KR20130142056A - Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the same - Google Patents

Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the same Download PDF

Info

Publication number
KR20130142056A
KR20130142056A KR1020130010367A KR20130010367A KR20130142056A KR 20130142056 A KR20130142056 A KR 20130142056A KR 1020130010367 A KR1020130010367 A KR 1020130010367A KR 20130010367 A KR20130010367 A KR 20130010367A KR 20130142056 A KR20130142056 A KR 20130142056A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
axis
laser medium
medium
pulse
Prior art date
Application number
KR1020130010367A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101416630B1 (en
Inventor
김광훈
강욱
양주희
이대식
엘레나 살
세르게이 치조프
안드레이 쿨릭
블라드미르 야쉰
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Publication of KR20130142056A publication Critical patent/KR20130142056A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101416630B1 publication Critical patent/KR101416630B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/163Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/1675Solid materials characterised by a crystal matrix titanate, germanate, molybdate, tungstate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/101Lasers provided with means to change the location from which, or the direction in which, laser radiation is emitted
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/04Arrangements for thermal management
    • H01S3/0401Arrangements for thermal management of optical elements being part of laser resonator, e.g. windows, mirrors, lenses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/07Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018Mode suppression
    • H01S3/0804Transverse or lateral modes
    • H01S3/0805Transverse or lateral modes by apertures, e.g. pin-holes or knife-edges
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08054Passive cavity elements acting on the polarization, e.g. a polarizer for branching or walk-off compensation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08072Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1601Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/235Regenerative amplifiers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Provided are a femtosecond laser apparatus and a femtosecond laser system including the same. The femtosecond laser apparatus includes a first laser medium having an Ng axis, an Np axis and an Nm axis spatially vertical thereto; a second laser medium having an Np axis substantially in parallel with the Ng axis of the first laser medium, an Nm axis substantially in parallel with the Np axis of the first laser medium, and an Ng axis substantially in parallel with the Nm axis of the first laser medium; and a first laser diode and a second laser diode arranged for projecting pumping lights to the first laser medium and the second laser medium respectively. The first laser medium is arranged such that the progress direction of a laser beam generated by the first and the second laser medium is substantially in parallel with the Ng axis of the first laser medium and the polarization direction of a laser beam generated by the first and the second laser medium is substantially in parallel with the Np axis of the first laser medium. The second laser medium is arranged such that the progress direction of the laser beam generated by the first and the second laser medium is substantially in parallel with the Np axis of the second laser medium and the polarization direction of the laser beam generated by the first and the second laser medium is substantially in parallel with the Nm axis of the second laser medium.

Description

펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템{Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same} Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the femtosecond laser apparatus and a femtosecond laser system including the femtosecond laser apparatus,

본 출원은 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 출력 파워를 높이고 동시에 펄스 빔의 품질을 향상시킬 수 있는 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템에 관한 것이다.
The present application relates to a laser device, and more particularly, to a femtosecond laser device and a femtosecond laser system including the same that can increase the laser output power and at the same time improve the quality of the pulse beam.

펨토초 레이저 펄스(femtosecond(fs) laser pulse)와 같은 극초단 레이저 광원은 높은 첨두 출력의 극초단 펄스(ultrashort pulse)를 발생시키며 펄스의 평균 출력 또한 높아서, 초고속 분광 화학, 고에너지 물리, XUV-파 발생 등 기초 과학 분야에서 폭넓게 활용되고 있을 뿐만 아니라 초미세 레이저 가공, 마이크로 수술 등 다양한 분야에서 그 응용성을 확인할 수 있다.Ultrashort laser sources, such as femtosecond (fs) laser pulses, generate ultrashort pulses with high peak powers and have high pulsed average powers, resulting in ultra-fast spectroscopy, high energy physics, XUV-wave It is not only widely used in the basic science field, but also its applicability can be confirmed in various fields such as ultrafine laser processing and microsurgery.

일반적으로, 극초단 레이저 펄스는 짧은 펄스 시간 폭뿐만 아니라 높은 첨두 출력, 넓은 스펙트럼 밴드폭 등의 우수한 특성을 갖고 있다. In general, the ultrasound laser pulses have excellent characteristics such as high peak power as well as short pulse time width, wide spectrum bandwidth and the like.

이러한 극초단 레이저 펄스를 태양전지, 광메모리, 반도체, 평판 디스플레이 등과 같이 고도의 정밀성을 요구하는 전자부품 및 광 부품의 마이크로 또는 나노 가공 등에 응용할 수 있기 때문에 산업용 극초단 펄스 레이저 시스템의 요구가 증가하고 있다. Since such ultra-short laser pulses can be applied to micro or nano processing of electronic components and optical components requiring high precision such as solar cells, optical memories, semiconductors, and flat panel displays, the demand for industrial ultra-short pulse laser systems is increasing have.

상기한 요구를 충족시키기 위해 먼저 극초단 레이저 펄스를 초미세 레이저 가공에 응용하기 위한 조건을 살펴보기로 한다. In order to meet the above requirements, first, conditions for application of ultraraple laser pulses to ultrafine laser processing will be described.

첫째로, 레이저 펄스 시간 폭이 대상 물질의 전자-포논 이완시간(electron-phonon relaxation time)보다 많이 짧아서 가공 시 열에너지가 가공하고자 하는 부위 주변으로 전달되지 않아야 한다(비열가공; non-thermal processing). First, the laser pulse time width is much shorter than the electron-phonon relaxation time of the target material so that the thermal energy should not be transferred to the vicinity of the part to be processed (non-thermal processing).

이를 냉각 애블레이션(cold ablation)이라고 한다. This is called cold ablation.

예를 들어 알루미늄의 전자-포논 이완시간은 4.27 피코초(picosecond: ps), 철은 3.5 ps, 구리는 57.5 ps 이다. For example, the electron-phonon relaxation time of aluminum is 4.27 picosecond (ps), iron 3.5 ps, and copper 57.5 ps.

즉, 알루미늄을 초미세 레이저 가공하는 경우에 냉각 애블레이션을 위해서는 피코초 이하의 펄스 시간 폭으로 레이저 펄스를 가하는 것이 바람직하다. That is, in the case of ultra-fine laser machining of aluminum, it is preferable to apply a laser pulse with a pulse time width of less than a picosecond for cooling ablation.

따라서, 펨토초 레이저가 냉각 애블레이션의 초미세 레이저 가공에 가장 적합한 레이저이다. Therefore, femtosecond lasers are the best lasers for ultrafine laser processing of cooling ablation.

펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스는 가공 영역에서 열확산을 최소화하고 주위에 잔류 열에 의한 손상을 주지 않기 때문에 기계적 가공이 어려운 매우 단단한 물질도 가공이 가능하고, 또한 펄스 시간 폭이 짧고 펄스 에너지가 높으며 첨두 출력(peak power)이 높아서 다광자 흡수(multi-photon absorption)라는 비선형 광학 효과(nonlinear optical effect)에 의하여 유리, 폴리머 등의 투명한 재질까지도 다양한 나노미터 스케일의 초정밀 구조물 가공이 가능해진다. Ultrathinary laser pulses in the femtosecond range can process extremely hard materials that are difficult to mechanically process because they minimize thermal diffusions in the machining area and do not damage the surroundings due to residual heat. In addition, they can process very hard materials with short pulse width and high pulse energy. it is possible to process ultra-precise structures with various nanometer scales, even transparent materials such as glass and polymers, due to the nonlinear optical effect of multi-photon absorption due to its high peak power.

둘째로, 가공하고자 하는 대상 물질들은 대략 수 J/㎠ 이상의 애블레이션 문턱값을 갖는데, 애블레이션 가공을 위해서 가공 부위에 집속되는 레이저 빔의 크기를 고려하면 대략 10 μJ 정도 이상인 펄스 에너지가 요구된다. Second, the target materials to be processed have an ablation threshold value of about several J / cm2 or more. Considering the size of the laser beam focused on the processing region for ablation processing, a pulse energy of about 10 μJ or more is required.

물질 가공 응용의 몇몇 경우들은 수백 μJ의 펄스 에너지가 요구되기도 한다. Some cases of material processing applications require pulse energies of several hundreds of μJ.

이러한 우수한 특성을 갖는 대표적인 레이저로 티타늄사파이어 레이저(Ti:sapphire laser)가 있다. As a typical laser having such excellent characteristics, there is a titanium sapphire laser (Ti: sapphire laser).

현재까지 상업적으로 활용가능한 티타늄사파이어 레이저는 대략 수 ~ 수백 펨토초의 펄스 시간 폭, 수 mJ 또는 수 J까지의 펄스 에너지를 제공한다. Commercially available titanium sapphire lasers to date provide a pulse time width of several to several hundreds of femtoseconds, pulse energies of several mJ or a few J.

하지만 기존에는 Nd:YVO4 레이저와 같은 고가의 고출력 펄스 녹색 레이저를 펌핑 광원으로 사용해야 한다는 것 때문에 펄스 반복률을 수십 kHz 이상 얻기가 어렵다. However, it is difficult to obtain a pulse repetition rate higher than several tens of kHz because an expensive high-power pulse green laser such as Nd: YVO 4 laser should be used as a pumping light source.

또한 티타늄사파이어 레이저는 시스템 규모가 크고, 가격이 비싸며, 펄스 출력을 안정적으로 유지하기가 어려워 생산현장에서 활용하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다. In addition, titanium sapphire lasers are problematic in that they are large in size, expensive, and difficult to maintain a stable pulse output, making them difficult to use in a production site.

한편, 다이오드 펌핑된 고체 레이저(diode-pumped solid-state(DPSS) laser) 는 레이저 다이오드와 같이 크기가 작은 광원을 펌핑 광원으로 하고, 고체 레이저 매질을 사용하여 펨토초 레이저를 구성함에 따라 광 펌핑 구조가 간단해져서 레이저 헤드의 크기가 작아지고, 상업적으로 다양한 분야에서 많이 활용되는 파장의 레이저 다이오드는 그 출력 대비 저가이며 펨토초 레이저의 가격을 낮출 수 있어서 비용 절감의 효과가 있다. In a diode-pumped solid-state (DPSS) laser, a pumped light source such as a laser diode is used as a pumping light source, and a femtosecond laser is constructed using a solid-state laser medium. The size of the laser head becomes small and the laser diode of a wavelength widely used in various commercial fields is low in cost compared to the output, and the cost of the femtosecond laser can be lowered, thereby reducing the cost.

또한, 상기 고체 레이저는 광 펌핑 거리가 짧아서 안정적인 레이저 동작이 가능하여 산업용 레이저에 적용하기에 매우 좋은 장점이 있다. In addition, the solid laser has a short optical pumping distance and is capable of stable laser operation, which is very advantageous for application to industrial lasers.

최근에는 반도체 및 전자공학 기술의 향상으로 크기가 매우 작고 효율이 높으면서도 안정적인 고출력이 가능한 레이저 다이오드 어레이, 레이저 다이오드 바 등이 개발되면서 다이오드 펌핑을 이용한 고체 레이저 시스템의 발전이 급성장하고 있다. In recent years, the development of solid state laser systems using diode pumping has been rapidly growing as laser diode arrays and laser diode bars capable of achieving high output with high efficiency and high power have been developed due to improvements in semiconductor and electronic engineering techniques.

이와 같은 레이저 다이오드로 광 펌핑하는 펨토초 레이저 시스템을 구현하기 위해서는 조건에 맞는 레이저 매질(laser material)을 선택하고, 이를 효율적으로 광 펌핑하기 위한 광 펌핑 모듈을 설계 및 제작하는 것이 필수적이다. In order to realize a femtosecond laser system that pumps light with such a laser diode, it is essential to design and manufacture a laser pumping module suitable for the optical pumping module.

주로 다이오드 펌핑을 위한 레이저 매질로는 각각 808 ㎚와 980 ㎚ 영역의 레이저 다이오드로 펌핑이 가능한 네오디뮴(neodymium: Nd)과 이테르븀(ytterbium: Yb)과 같은 희토류 이온들이 도핑된 결정들을 많이 사용하고 있다. The laser medium for diode pumping mainly uses crystals doped with rare earth ions such as neodymium (Nd) and ytterbium (Yb), which can be pumped by laser diodes of 808 nm and 980 nm, respectively.

고출력 레이저의 발전단계에서 초창기에는 네오디뮴을 도핑한 레이저 결정이 4 레벨 구조 및 다양한 흡수선을 갖고 있어서 선호되어 왔지만, 최근에는 더 간단한 에너지 레벨을 갖는 이테르븀을 도핑한 결정이 열적 및 광학적으로 더 우수한 특성을 보이면서 많이 사용되고 있다. In the early development stage of high power lasers, neodymium-doped laser crystals have been preferred because they have a four-level structure and various absorption lines. In recent years, ytterbium-doped crystals having simpler energy levels have thermally and optically superior properties It is being used in many ways.

펨토초 레이저 광원을 초미세 레이저 가공 등의 산업 현장에 적용하기 위해서 추가적으로 필요한 조건들이 있다.  There are additional requirements to apply a femtosecond laser source to industrial applications such as ultrafine laser machining.

예를 들어, 레이저의 펄스 반복률이 낮으면 레이저 가공에 시간이 많이 소요되므로 생산 현장에서의 생산성이 떨어진다. For example, if the pulse repetition rate of the laser is low, it takes a lot of time to process the laser, which lowers productivity on the production site.

그러나, 레이저의 펄스 반복률이 높은 것이 좋겠지만 펄스 반복률을 높이는 데에도 제약이 따른다. However, although the pulse repetition rate of the laser is preferably high, there are also limitations in increasing the pulse repetition rate.

만약 펄스 반복률이 너무 높아서 펨토초 레이저 펄스에 의하여 생성된 플라즈마가 소멸되기 전에 다음 레이저 펄스가 온다면, 다음 레이저 펄스는 타겟 부위에 존재하는 플라즈마에 의하여 빔의 진행 방향이 변하거나 펄스 시간 폭이 변하게 되는 등의 나쁜 영향을 받게 된다. If the pulse repetition rate is too high so that the plasma generated by the femtosecond laser pulse is turned off before the next laser pulse is turned on, the next laser pulse is generated by the plasma present at the target site, And the like.

이를 플라즈마 쉴딩(plasma shielding) 이라고 한다. This is called plasma shielding.

플라즈마 쉴딩 효과를 억제하기 위해서는 그 플라즈마 이완시간이 지난 후에 다음 레이저 펄스가 인가되어야 한다. In order to suppress the plasma shielding effect, the next laser pulse must be applied after the plasma relaxation time has elapsed.

즉, 레이저 펄스와 다음 레이저 펄스의 시간 간격이 플라즈마 이완시간보다 길어야 한다. 플라즈마 이완시간은 가공하고자 하는 매질에 따라 다르지만 레이저 펄스 반복률로 보면 그 반복률이 대략 1 MHz 정도에 해당된다. That is, the time interval between the laser pulse and the next laser pulse must be longer than the plasma relaxation time. The plasma relaxation time varies depending on the medium to be processed, but the repetition rate of the laser pulse repetition rate is about 1 MHz.

따라서 생산 현장에서 높은 생산성을 유지하기 위해서는 수백 ㎑ 영역의 펄스 반복률을 갖는 펨토초 레이저가 요구된다. Therefore, a femtosecond laser with a pulse repetition rate of several hundreds of kHz is required to maintain high productivity in a production site.

그리고, 레이저 가공 시스템에 레이저 광원을 장착하고 운용하기 위하여 컴팩트한 크기, 낮은 가격뿐만 아니라 장시간에 걸쳐서 레이저 동작 상태가 변하지 않는 높은 동작 안정성이 요구된다. Further, in order to mount and operate a laser light source in a laser processing system, it is required to have a compact size, a low price, and a high operation stability that does not change the laser operation state for a long time.

펨토초 오실레이터에서 모드록킹(mode locking)으로 펨토초 펄스가 처음 발생할 때는 그 펄스 에너지가 나노 주울(nJ) 정도로 매우 낮아서 레이저 가공 등의 응용에는 적합하지 않다. When the femtosecond pulse is first generated by mode locking in a femtosecond oscillator, the pulse energy is very low as nano joules (nJ), which is not suitable for applications such as laser processing.

펨토초 펄스 에너지를 높이기 위하여 처프 펄스 증폭 (chirped pulse amplification: CPA)기술을 이용한다. To increase the femtosecond pulse energy, chirped pulse amplification (CPA) technology is used.

예를 들면, 펄스 확장기(pulse stretcher)를 사용하여 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스를 시간적으로 길게 확장한 후에 증폭기(amplifier)에 인가하여 펄스 에너지를 증폭시킨다. For example, a pulse stretcher is used to extend a pulse from a femtosecond oscillator in a time-wise manner and then applied to an amplifier to amplify the pulse energy.

그런 다음, 증폭된 펄스를 펄스 압축기(pulse compressor)를 통과시켜 그 펄스의 시간 폭을 원래의 펨토초 영역으로 복귀시키는 것이다. Then, the amplified pulse is passed through a pulse compressor to return the time width of the pulse to the original femtosecond region.

이때 펨토초 오실레이터에서 나오는 펄스들은 증폭기에 인가되는 종자 펄스(seeding pulses) 역할을 하게 된다. At this time, pulses from the femtosecond oscillator serve as seeding pulses applied to the amplifier.

펄스 확장기에서 파장에 따른 경로 차이에 의하여 펄스가 시간적으로 길게 늘어나는 것을 처핑(chirping)이라고 하고, 이러한 과정을 통하여 펄스 에너지를 증폭시키는 기술을 처프 펄스 증폭 기술이라고 한다. In the pulse expander, a chirping phenomenon in which a pulse is elongated in time due to a path difference due to a wavelength is referred to as a chirp pulse amplification technique.

이 기술을 사용하면, 펄스 증폭기의 공진기 안에서 증폭되는 펄스의 첨두 출력을 낮게 유지하여 자체 집속 효과(self-focusing effect)에 의하여 레이저 펄스의 시간적 또는 공간적 분포에 발생하는 비선형 변형을 억제할 수 있고, 또한 시스템을 구성하는 광학 부품에 가해질 수 있는 물리적 손상을 방지한다. By using this technique, the peak output of the pulse amplified in the resonator of the pulse amplifier can be kept low to suppress the nonlinear distortion occurring in the temporal or spatial distribution of the laser pulse by the self-focusing effect, It also prevents physical damage to the optical components that make up the system.

즉, 높은 에너지의 레이저 펄스에 의한 시스템의 손상을 방지할 수 있을 뿐 만 아니라 펄스 에너지를 높이기 위하여 펄스 증폭기를 효율적으로 운영할 수 있게 된다. That is, it is possible not only to prevent damage to the system due to the high energy laser pulse but also to operate the pulse amplifier efficiently to increase the pulse energy.

최근 들어 처프 펄스 증폭 기술에 기반을 두고 다이오드 광원을 직접 펌핑하는 펨토초 마스터 오실레이터(master oscillator: MO)와 다이오드 광원을 직접 펌핑하는 파워 증폭기(power amplifier: PA)를 결합한 모파(MOPA) 시스템에서 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있게 되면서 높은 첨두 출력과 높은 평균출력을 갖는 펨토초 레이저 시스템의 개발에 있어서 큰 진전이 이루어지고 있다. In recent years, in a MOPA system that combines a femtosecond master oscillator (MO) that directly pumps a diode light source based on chirp pulse amplification technology and a power amplifier (PA) that pumps a diode light source directly, As energy becomes available, significant progress has been made in the development of femtosecond laser systems with high peak power and high average power.

하지만, 이테르븀이 도핑된 레이저 매질은 2 준위 에너지 구조 또는 준 3 준위 에너지 구조를 가지기 때문에 광 펌핑 파장 981 ㎚에서 방사되는 빛이 다시 레이저 매질에서 흡수되는 단점이 있다. However, the laser medium doped with ytterbium has a two-level energy structure or a quasi-three-level energy structure, so that light emitted at an optical pumping wavelength of 981 nm is again absorbed by the laser medium.

이를 극복하기 위하여 높은 출력의 고휘도 레이저 다이오드에 발생된 광을 레이저 결정에 아주 작은 스폿 사이즈로 집속한다. To overcome this, we concentrate the light generated by the high-power laser diode with a high output in a very small spot size in the laser crystal.

이 과정에서 레이저 빔으로 변형되지 못한 펌핑 광은 열에너지의 형태로 레이저 결정의 스폿 주위로 전달되고 또한 레이저 결정을 체결한 마운트에도 전달 된다. In this process, the pumping light which can not be deformed by the laser beam is transmitted around the spot of the laser crystal in the form of heat energy and also transferred to the mount of the laser crystal.

이러한 과정에서 열에너지가 많이 축적되면 증폭되는 레이저 빔이 찌그러짐으로 인해 빔 품질이 나빠지게 되고 레이저 평균 출력 및 펄스 에너지 또한 제한된다. If a large amount of thermal energy is accumulated in this process, the amplified laser beam is distorted, resulting in deteriorated beam quality, and the laser average power and pulse energy are also limited.

그리고, 상기 레이저 결정에 축적된 열에너지가 손상 임계값(damage threshold) 보다 높아지면 레이저 결정에 금이 가거나 레이저 결정이 깨어지는 등 의 물리적인 손상이 발생하여 레이저 발진이 중지되는 문제가 발생한다. If the thermal energy accumulated in the laser crystal is higher than the damage threshold, there is a problem that laser oscillation is stopped due to physical damage such as cracking of the laser crystal or breaking of the laser crystal.

한편, 복수의 Yb: KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 선행 연구들에 대하여 살펴보면 다음과 같다. Meanwhile, previous studies for generating or amplifying femtosecond pulses using a plurality of Yb: KYW or Yb: KGW laser crystals will be described.

예를 들어, 미국 특허 US 7,508,847 B2 에서는 Yb:KGW 와 같은 비등방성 매질 두 개를 광 펌핑하여 공진기 내에서 레이저 빔이 이득 매질을 통과하는 횟수를 늘리는 개념을 제안하고 있다. For example, U.S. Patent No. 7,508,847 B2 proposes a concept of increasing the number of times a laser beam passes through a gain medium in a resonator by optically pumping two anisotropic media such as Yb: KGW.

하지만 이 특허의 경우 "Triggered mode" 라고 불리는 펄스 파워의 불안정한 현상을 줄이기 위해 레이저 공진기의 길이를 늘이는 것에 집중하고 있으며, 이렇게 길이가 긴 공진기의 다양한 형태 중 하나로 두 개의 이득 매질 펌핑 구성도를 제안하고 있을 뿐 실험적 구현이나 결과들을 제시하지 않고 있다. However, this patent focuses on extending the length of the laser resonator to reduce the instability of the pulse power called "Triggered mode", and proposes two gain medium pumping schemes as one of the various forms of this long resonator But does not present experimental implementations or results.

또한 미국 특허 US 6,760,356 B2 에서 등방성 레이저 결정인 Yb:YAG 두 개를 이용하여 펨토초 펄스를 증폭시키는 개념을 제안하고 있다. In addition, US Patent 6,760,356 B2 proposes a concept of amplifying a femtosecond pulse using two Yb: YAG isotropic laser crystals.

하지만, 상기 두 선행특허는 단지 두개의 레이저 매질을 이용하여 출력을 증폭시키는 것에만 기재되어 있고, 기타 펨토초 레이저 시스템에서 레이저 매질의 광학적 축에 따라 고려되어야 할 열적, 광학적, 기타 여러 가지 특성에 대해선 기재되어 있지 않다. 즉, 상기 두 특허의 경우 레이저 매질의 축에 대한 언급은 전혀 없이 단지 레이저 매질 개수를 증가시킴에 따라 출력 파워가 향상되는 효과만이 기재되어 있다. However, these two prior patents are described only for amplifying the output using only two laser media, and for the thermal, optical and other properties to be considered along the optical axis of the laser medium in other femtosecond laser systems . That is, in the two patents, there is no mention of the axis of the laser medium, but only the effect of increasing the output power by increasing the number of laser media is described.

한편, Yb:KYW 레이저 매질의 축을 선택하여 탈편광된(depolarized) 펌핑 광을 효율적으로 흡수하고 레이저 매질을 펌핑하는 펌핑 광의 편광 비율을 조절하는 연구가 미국 특허 US 6,891,876 B2에 제안되어 있다. On the other hand, a technique for efficiently picking up depolarized pumping light by selecting the axis of the Yb: KYW laser medium and adjusting the polarization ratio of the pumping light pumping the laser medium is proposed in U.S. Patent No. 6,891,876 B2.

이 특허에서는 주로 비등방성 매질의 광 펌핑에 집중하고 있는데, 첫 번째로 탈편광된 펌핑 광을 이용하였을 경우에도 비등방성 이득매질의 축과 펌핑 레이저의 파장을 선택하여 효율적으로 레이저 매질을 광 펌핑할 수 있도록 하는 방법을 제안하고 있다. This patent concentrates mainly on optical pumping of anisotropic media. Firstly, even when using the depolarized pumping light, the axis of the anisotropic gain medium and the wavelength of the pumping laser are selected to optically pump the laser medium efficiently I have suggested how to do it.

두 번째로 펌핑 광의 파장이 불안정할 경우에도 레이저 매질의 축을 적절하게 선택하고 이에 입사되는 펌핑 레이저의 편광 비율을 조절하여 레이저 출력에 큰 변화가 없도록 하는 방법을 제시하고 있다. Secondly, even when the wavelength of the pumping light is unstable, a method of appropriately selecting the axis of the laser medium and controlling the polarization ratio of the pumping laser incident on the laser medium does not cause a significant change in the laser output.

제시된 방법은 레이저 매질의 축 방향에 따른 흡수 스펙트럼이 상이하다는 점을 이용하여 하나의 레이저 매질에서 두 개의 축이 적절히 혼합되도록 레이저 매질의 방향을 결정하여 절단하고 펌핑 광의 세기를 편광방향에 따라 조절하였을 경우에 넓은 파장 영역에서 비슷한 흡수 단면적을 가질 수 있음을 보여 주었다. The proposed method is based on the fact that the absorption spectrum along the axial direction of the laser medium is different, so that the direction of the laser medium is determined so that the two axes are properly mixed in one laser medium, and the intensity of the pumping light is adjusted according to the polarization direction It has been shown that it is possible to have a similar absorption cross-section in a wide wavelength region.

그러나, 이러한 경우 펌핑 광의 편광이나 파장의 불안정도에는 덜 민감한 광 펌핑부를 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 넓은 파장 영역에서 비슷한 흡수 단면적을 갖기 위하여 레이저 매질의 흡수 단면적이 작은 파장 영역에서 광 펌핑을 해야 한다. However, in such a case, it is advantageous to fabricate an optical pumping section which is less sensitive to the degree of polarization or wavelength instability of the pumping light, but in order to have a similar absorption cross section in a wide wavelength region, optical pumping should be performed in a wavelength region where the absorption cross section of the laser medium is small .

그리고 하나의 레이저 광원으로 두 개의 편광에 출력을 분산시켜야 하기 때문에, 펌핑 효율이 크게 떨어질 뿐만 아니라 레이저 파장으로 전환되지 못하고 흡수된 펌핑 광은 열에너지로 레이저 매질에 축적되어 레이저 빔의 품질이 떨어지고 그 출력 또한 제한된다는 단점이 있다. In addition, since the output is dispersed to two polarized beams by one laser light source, the pumping efficiency is not only reduced but also the laser wavelength is not converted. The absorbed pumping light is accumulated in the laser medium as thermal energy, There is a disadvantage that it is also limited.

또한, 상기 Yb:KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정은 우수한 열전도성을 갖고 있기 때문에 높은 평균 출력의 펨토초 레이저를 만드는데 장점을 가지고 있지만, Yb:KYW 또는 Yb:KGW 의 비등방성 레이저 매질은 축 방향에 따라서 열전도도가 달라서 레이저의 평균 출력이 높아지면 열적 효과에 의한 열적 렌즈의 비점수차(astigmatism)가 발생하기 때문에 레이저 빔 모양이 일그러지면서 빔 품질이 떨어지는 문제가 발생한다. In addition, since the Yb: KYW or Yb: KGW laser crystal has an advantage in producing a femtosecond laser having a high average output power because of its excellent thermal conductivity, the anisotropic laser medium of Yb: KYW or Yb: When the average power of the laser is increased due to the different thermal conductivity, astigmatism of the thermal lens due to the thermal effect occurs, which causes the laser beam shape to be distorted and the beam quality to deteriorate.

또한, 상기 복수의 레이저 결정을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 과정 중에, 레이저 다이오드로부터 발생한 펌핑 광이 하나의 레이저 결정에 입사되어 흡수되고, 흡수되지 못한 나머지 펌핑 광이 광학 부품들 및 광학 마운트들에 조사되어, 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성을 떨어뜨리게 된다.
Also, during the process of generating or amplifying the femtosecond pulse using the plurality of laser crystals, the pumping light generated from the laser diode is incident on and absorbed by one laser crystal, and the remaining pumping light, which has not been absorbed, So that the alignment characteristics of the pumping light and the laser beam are degraded.

본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 레이저 매질을 이용하고, 상기 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔이 레이저 매질의 특정 축에 실질적으로 평행하도록 하여 빔의 일그러짐없이 빔의 품질뿐만 아니라 레이저의 출력세기를 향상 시킬 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a laser processing method and a laser processing method which use a plurality of laser media and make the laser beam generated from the laser medium substantially parallel to a specific axis of the laser medium, And a femtosecond laser system including the femtosecond laser system.

또한 공진기 외부에서 스펙트럼 성형된 펄스를 종자 펄스로 인가하여 증폭 과정에서 발생되는 이득 좁아짐을 억제함으로써 최종적으로 레이저 시스템에서 나오는 펄스의 시간 폭을 짧게 할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Also, a laser device and a femtosecond laser system including the laser device capable of shortening a time width of a pulse ultimately generated by a laser system by applying spectral-shaped pulses from the outside of the resonator as a seed pulse to suppress gain narrowing in the amplification process are provided It has its purpose.

또한, 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향을 복수의 레이저 매질 각각의 특정 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하여 이득 스펙트럼 밴드 폭을 넓게 할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention also provides a laser apparatus and a femtosecond laser system including the same, which can broaden a gain spectrum bandwidth by making the polarization direction of a laser beam generated from a laser medium substantially parallel to a specific axis of each of a plurality of laser mediums, There is a purpose.

또한, 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 폭을 넓힐 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a laser device and a femtosecond laser system including the laser device capable of broadening the spectrum width of pulses by superimposing a gain spectrum of a plurality of laser media having different wavelengths corresponding to the maximum value of the radiation sectional area.

또한, 복수의 레이저 매질을 이용한 펨토초 펄스 생성 과정에서 상기 복수의 레이저 매질을 이용하여 펨토초 펄스를 생성시키거나 증폭시키는 과정 중에 발생되는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성 저하를 방지할 수 있는 레이저 장치 및 이를 포함하는 펨토초 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention also provides a laser device capable of preventing degradation of alignment characteristics of pumping light and a laser beam generated during a process of generating or amplifying a femtosecond pulse using the plurality of laser media in a femtosecond pulse generation process using a plurality of laser media, And to provide a femtosecond laser system including the same.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑광을 조사하도록 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a femtosecond laser device including: a first laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np and Nm axes; An Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, an Nm axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium, and an Ng axis substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium A second laser medium; And a first laser diode and a second laser diode arranged to respectively irradiate the first laser medium and the second laser medium with pumping light, wherein the first laser medium comprises a first laser medium and a second laser medium, Wherein the polarizing direction of the laser beam generated from the first and second laser media is disposed on the Np axis of the first laser medium so that the polarization direction of the generated laser beam is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, And the second laser medium is disposed such that a traveling direction of a laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Np axis of the second laser medium, And the polarization direction of the laser beam generated from the second laser medium is substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium.

본 발명의 일 실시예에 따른 다른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Ng축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Nm축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑광을 조사하도록 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하고, 상기 제 1 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.Another femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention includes a first laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np and Nm axes; An Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, an Ng axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium, and an Nm axis substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium A second laser medium; And a first laser diode and a second laser diode arranged to respectively irradiate the first laser medium and the second laser medium with pumping light, wherein the first laser medium comprises a first laser medium and a second laser medium, Wherein the direction of the generated laser beam is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, and the direction of polarization of the laser beam generated from the first and second laser media is parallel to the Nm axis of the first laser medium And the second laser medium is disposed such that a traveling direction of a laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Np axis of the second laser medium, And the polarization direction of the laser beam generated from the second laser medium is substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium.

본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖고, 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드; 상기 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축과 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하는 광학부품을 포함하고, 상기 제 1 레이저 매질은 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.Another femtosecond laser apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first laser medium and a second laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np, and Nm axes and disposed to face each other; A first laser diode and a second laser diode arranged to respectively inject pumping light into the first laser medium and the second laser medium; Wherein the polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media is different from that between the Np axis of the first laser medium and the Nm axis of the second laser medium Wherein the first laser medium is disposed such that a traveling direction of a laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium, The second laser medium is disposed so that the traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser medium.

본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 펨토초 레이저 장치는 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖고, 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드; 상기 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축과 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하는 광학부품을 포함하고, 상기 제 1 레이저 매질은 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고, 상기 제 2 레이저 매질은, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치된다.
Another femtosecond laser apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first laser medium and a second laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np, and Nm axes and disposed to face each other; A first laser diode and a second laser diode arranged to respectively inject pumping light into the first laser medium and the second laser medium; Wherein a polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media is different from a polarization direction of the laser beam generated from the Nm axis of the first laser medium and the Nm axis of the second laser medium Wherein the first laser medium is disposed such that a traveling direction of a laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium, The second laser medium is disposed so that the traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser medium.

본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔의 품질뿐만 아니라 레이저 출력세기를 향상시킬 수 있다.The femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention can improve the laser output intensity as well as the quality of the laser beam generated in the laser medium.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 펄스 스펙트럼을 원하는 형태로 변형시켜 펄스의 시간 폭을 줄일 수 있다.In addition, the femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention can reduce the pulse time width by modifying the pulse spectrum into a desired shape.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 스펙트럼 폭을 변형할 수 있다.In addition, the femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention can change the spectral width by superimposing a gain spectrum of a plurality of laser media having different wavelengths corresponding to the maximum value of the radiation sectional area.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬특성을 향상 시킬 수 있다.
Also, the femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention can improve the alignment characteristics of the pumping light and the laser beam.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로, 증폭되어 출력된 펄스의 이득 좁아짐에 따른 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 스펙트럼 성형기를 이용하여 스펙트럼 성형에 따른 출력펄스의 스펙트럼 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축 또는 Np-축 방향과 평행할 때, 레이저 결정의 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로, 도 4의 방사 단면적의 스펙트럼을 결합하여 나타난 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 배치 구조에 따라 실험적으로 나타난 레이저 빔 특성을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 실시예로, 레이저 빔의 평균 출력을 향상시키기 위한 레이저 매질의 배치 구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기에 포함된 레이저 빔 발생장치를 설명하기 위한 도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 덤퍼 구조를 설명하기 위한 도이다.
도 15는 본 발명의 실시 예로, 레이저 매질에 인가되는 펌핑 광의 세기에 따른 연속파 출력의 기울기 효율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 성형기를 나타낸 광학 개념도이다.
도 17는 본 발명의 실시 예로, 종자 펄스를 스펙트럼 성형하기 전과 후의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예로, 스펙트럼 성형하지 않고 증폭된 펄스와 스펙트럼 성형하고 증폭된 펄스의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예로, 스펙트럼 성형하지 않고 증폭된 펄스와 스펙트럼 성형하고 증폭된 펄스의 펄스 시간 폭을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예로, 펄스 반복률에 따른 펄스 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram illustrating a femtosecond laser system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph for explaining spectral characteristics according to a gain narrowing of an amplified and outputted pulse according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a graph for explaining a spectral change of an output pulse according to spectral shaping using a spectral shaping machine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Fig. 4 is a diagram showing an example in which when the polarization direction of the laser beam generated from the laser crystal Yb: KYW is parallel to the Nm-axis or Np-axis direction of the laser crystal Yb: KYW, Fig. 8 is a graph showing the spectral characteristics of the radiation cross-sectional area of a crystal.
FIG. 5 is a diagram illustrating spectral characteristics obtained by combining spectra of the radiation cross-sectional area of FIG. 4 according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram of a laser beam generator according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic view of another laser beam generator according to an embodiment of the present invention.
8 is an optical conceptual diagram of a femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating laser beam characteristics experimentally performed according to an arrangement structure of a laser medium according to an embodiment of the present invention.
10 is an optical conceptual diagram of a femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium for improving an average output of a laser beam according to another embodiment of the present invention.
11 is an optical conceptual diagram of another femtosecond laser device for explaining a layout structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.
12 is an optical conceptual diagram of another femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to another embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining a laser beam generator included in a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.
14 is a view for explaining a beam damper structure according to an embodiment of the present invention.
15 is a graph illustrating the slope efficiency of a continuous wave output according to the intensity of pumping light applied to a laser medium according to an embodiment of the present invention.
16 is an optical conceptual diagram showing a spectral shaping machine according to an embodiment of the present invention.
17 is a graph showing spectra before and after spectral shaping of a seed pulse according to an embodiment of the present invention.
18 is a graph showing a spectrum of pulses amplified without spectral shaping and spectrally shaped and amplified pulses according to an embodiment of the present invention.
Fig. 19 is a graph showing pulse time widths of a pulse amplified without spectral shaping and a spectrum-amplified pulse, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a graph showing a change in pulse energy according to the pulse repetition rate in the embodiment of the present invention. FIG.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be easily understood by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 시스템에 관한 것이다.1 illustrates a femtosecond laser system in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 펨토초 레이저 시스템(100)은 마스터 오실레이터(110), 파라데이 아이솔레이터(120), 펄스 확장/압축기(130), 스펙트럼 성형기(140), 박막 편광기(TFP), 파라데이 회전기(150). 증폭기(170), 펄스 피커(160)를 포함할 수 있다.1, a femtosecond laser system 100 includes a master oscillator 110, a paradier isolator 120, a pulse expander / compressor 130, a spectral shaping unit 140, a thin film polarizer (TFP) 150). An amplifier 170, and a pulse picker 160.

마스터 오실레이터(110)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 증폭기(170)와 같이 내부에 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저 장치를 포함하여, 펨토초 영역의 극초단 펄스를 발생시킨다.The master oscillator 110, although not shown in the figure, includes a laser device capable of generating a laser beam therein, such as the amplifier 170, to generate an ultrasensitive pulse in the femtosecond region.

마스터 오실레이터(110)는 레이저 빔 발생을 위한 광섬유 레이저 또는 고체 레이저를 사용할 수 있다. 고체 레이저에서 사용하는 레이저 매질은 열적, 광학적, 기계적 특성에 따라 다양한 레이저 매질을 선택하여 사용할 수 있다.The master oscillator 110 may use a fiber laser or a solid state laser for laser beam generation. The laser medium used in solid state lasers can be selected from a variety of laser media depending on their thermal, optical and mechanical properties.

예를 들어, 레이저 매질은 비결정 매질 혹은 결정 매질을 사용할 수 있고, 결정 매질을 사용할 경우엔, 등방성 결정(isotropic crystal), 단축 결정(uniaxial crystal)과 이축 결정(biaxial crystal)의 비등방성 결정 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.For example, the laser medium may be an amorphous medium or a crystalline medium, and when using a crystalline medium, at least one of an isotropic crystal, an uniaxial crystal and an anisotropic crystal of a biaxial crystal You can use one.

비결정 매질은 Yb:Glass 을 사용할 수 있고, 결정 매질 중 등방성 결정은 Yb:YAG, Yb:ScO, Yb:YO, Yb:LuO, Yb:LuScO, Yb:CaF 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 단축 결정은 Yb:CALGO, Yb:YVO4, Yb:NGW, Yb:NYW, Yb:LuVO, Yb:LSB, Yb:S-FAP, Yb:C-FAP 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 이축 결정은 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다 At least one of Yb: YAG, Yb: ScO, Yb: YO, Yb: LuO, Yb: LuScO, and Yb: CaF may be used as the amorphous medium, decision is Yb: CALGO, Yb: YVO 4 , Yb: NGW, Yb: NYW, Yb: LuVO, Yb: LSB, Yb: S-FAP, Yb: can be used at least one of a C-FAP, twin crystals Yb: KYW, Yb: KGW, Yb: KLuW, Yb: YCOB, Yb: YAP

펄스 확장/압축기(130)는 내부에 확장기(131) 및 압축기(132)를 포함하여, 마스터 오실레이터(110)에서 발생한 펨토초 펄스 폭을 확장하거나 증폭기에서 증폭된 펄스를 다시 펨토초 영역의 펄스로 압축시킨다.The pulse expander / compressor 130 includes an expander 131 and a compressor 132 to expand a femtosecond pulse width generated by the master oscillator 110 or to compress a pulse amplified by the amplifier into a pulse of a femtosecond region .

확장기(131)와 압축기(132)는 각각 그래이팅(grating)과 같은 별도의 분광소자를 이용하여 펄스를 확장하거나 압축할 수 있다. The expander 131 and the compressor 132 may respectively expand or compress the pulse using a separate spectroscopic element such as a grating.

또한, 확장기(131)와 압축기(132)는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 펄스를 확장 및 압축할 수 있는 일체형으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 펨토초 레이저 시스템(100)의 크기를 컴팩트하게 할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.In addition, the expander 131 and the compressor 132 may be integrally formed so as to expand and compress the pulse using one spectroscopic element in common. Accordingly, the size of the femtosecond laser system 100 can be made compact, and the manufacturing cost can be reduced.

확장기(131)는 마스터 오실레이터(110)에서 발생된 펨토초 펄스의 폭을 시간적으로 길게 확장하여, 상기 펨토초 펄스가 증폭기(170)에서 증폭하는 과정 중 레이저 매질 등과 같은 광학 부품의 물리적인 손상을 방지한다.The expander 131 extends the width of the femtosecond pulse generated in the master oscillator 110 in a time-wise manner to prevent physical damage to optical components such as a laser medium during the amplification of the femtosecond pulse by the amplifier 170 .

예를들어, 확장기(131)는 마스터 오실레이터(110)에서 발생된 100 펨토초(fs) 정도의 펄스를 수십 피코초(ps) 펄스로 확장한다.For example, the expander 131 expands a pulse of about 100 femtoseconds (fs) generated by the master oscillator 110 to several tens of picoseconds (ps).

압축기(132)는 증폭기(170)에서 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시켜 외부로 전달한다.The compressor 132 compresses the pulse amplified by the amplifier 170 into pulses of a femtosecond range and delivers the compressed pulse to the outside.

파라데이 아이솔레이터(Faraday isolator, 120)는 마스터 오실레이터(110)와 펄스 확장/압축기(130) 사이에 배치되어 증폭기(170)에서 발생된 높은 에너지의 펄스가 마스터 오실레이터(110)로 입사되는 것을 방지한다. A Faraday isolator 120 is disposed between the master oscillator 110 and the pulse expander / compressor 130 to prevent pulses of high energy generated in the amplifier 170 from being incident on the master oscillator 110 .

스펙트럼 성형기(spectral shaper, 140)는 펄스 확장기(131)에서 확장된 펄스에 대해 상기 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형한다. 즉, 스펙트럼 성형기(140)는 증폭기(170)에 입력하는 종자펄스(seeding pulses)의 스펙트럼을 성형하여, 증폭기에서 증폭되는 과정에서 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지는 것을 보상할 수 있다. 여기서, 종자펄스는 펄스 증폭을 위하여 증폭기(170)에 인가되는 펄스를 의미한다. A spectral shaper 140 transforms the spectrum of the pulse into a desired shape for an extended pulse in a pulse expander 131. [ That is, the spectrum shaping unit 140 can form a spectrum of seeding pulses input to the amplifier 170 to compensate for the narrowing of the spectral band width in the process of amplification in the amplifier. Here, the seed pulse means a pulse applied to the amplifier 170 for pulse amplification.

이러한 스펙트럼 성형기(140)는 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170)내에서 펄스의 스펙트럼을 원하는 형태로 변형할 경우, 상기 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170) 내에 포함시키거나 또는 상기 펨토초 레이저 시스템(100)에서 생략할 수 있다.This spectrum shaping device 140 may be included in the master oscillator 110 or the amplifier 170 or may be incorporated into the femtosecond laser system 110 when the spectrum of the pulse is transformed into a desired shape in the master oscillator 110 or the amplifier 170. [ (100).

펄스의 스펙트럼 성형에 대해선 후술하기로 한다.The spectral shaping of the pulses will be described later.

스펙트럼 성형된 펄스는 전반사 거울(FM), 박막 편광기(TFP) 및 파라데이 회전기(Faraday rotator, 150)를 거쳐 증폭기(170)에 인가된다. 이때, 전반사 거울(FM)은 빔의 경로를 바꿔주기 위한 것으로, 펨토초 레이저 시스템의 크기 및 설계 조건에 따라 삽입 혹은 삭제 가능하다. 다만, 본 발명의 일 실시예와 같이, 전반사 거울(FM)을 이용할 경우, 빔의 경로를 제한된 공간에서도 바꿀 수 있으므로, 이에 따라 펨토초 레이저 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다.The spectrally shaped pulses are applied to the amplifier 170 via a total reflection mirror (FM), a thin film polarizer (TFP) and a Faraday rotator (150). At this time, the total reflection mirror FM is for changing the beam path, and can be inserted or deleted according to the size and design conditions of the femtosecond laser system. However, when the total reflection mirror FM is used as in the embodiment of the present invention, the path of the beam can be changed even in a limited space, so that the femtosecond laser system can be made compact.

증폭기(170)는 상기 마스터 오실레이터(110)와 마찬가지로, 광섬유 레이저 또는 고체 레이저를 이용한 레이저 빔 발생장치를 포함하고, 상기 레이저 빔 발생장치를 이용하여 상기 입력된 종자펄스의 에너지를 증폭시킨다. The amplifier 170, like the master oscillator 110, includes a laser beam generator using a fiber laser or a solid laser, and amplifies the energy of the input seed pulse using the laser beam generator.

증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질은 마스터 오실레이터(110)에서 사용하는 동일한 레이저 매질을 사용하거나 이와 다른 레이저 매질을 사용할 수 있다. The laser medium used in the amplifier 170 may use the same laser medium used in the master oscillator 110 or may use a different laser medium.

즉, 마스터 오실레이터(110)와 증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질은 결정 매질과 비결정 매질간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있고, 마스터 오실레이터(110)와 증폭기(170)에서 사용되는 레이저 매질 모두가 결정 매질일 경우, 등방성 결정과 비등방성 결정간의 다양한 조합으로 이루어질 수 있다.That is, the laser medium used in the master oscillator 110 and the amplifier 170 can be made in various combinations between the crystalline medium and the amorphous medium, and both of the laser medium used in the master oscillator 110 and the amplifier 170 can be used as the crystal medium , It can be formed by various combinations of isotropic crystals and anisotropic crystals.

증폭기(170)에서 사용될 수 있는 구체적인 레이저 매질은 이미 마스터 오실레이터(110)에서 사용할 수 있는 레이저 매질과 실질적으로 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the specific laser medium that can be used in the amplifier 170 is substantially the same as the laser medium that can be used in the master oscillator 110, a description thereof will be omitted.

파라데이 회전기(150)는 증폭기(170)에서 증폭된 레이저 펄스의 진행 경로를 박막 편광기(TFP)에 의해 펄스 피커( pulse picker, 160) 방향으로 변경되도록 상기 레이저 펄스의 편광 방향을 90도 회전시킨다.The paradigal rotation unit 150 rotates the polarization direction of the laser pulse 90 degrees so that the traveling path of the laser pulse amplified by the amplifier 170 is changed toward the pulse picker 160 by the thin film polarizer TFP .

펄스 피커(160)는 전기-광학적 스위치(elelctro-optic switch)를 포함하고, 상기 스위치를 스위칭하여 증폭된 레이저 펄스에 대해 필요한 펄스와 필요치 않은 펄스를 구분하여 선택적으로 통과시킨다. 이후, 선택된 레이저 펄스는 압축기(132)에서 펨토초 영역의 극초단 레이저 펄스로 압축하여 펨토초 레이저 시스템 외부로 방출된다. The pulse picker 160 includes an electro-optic switch and switches the switch to selectively pass necessary pulses and unnecessary pulses for the amplified laser pulses. Thereafter, the selected laser pulse is compressed by the compressor 132 into the ultrasound laser pulse in the femtosecond region and is emitted outside the femtosecond laser system.

이처럼, 본 발명에 따른 펨토초 레이저 시스템(100)은 마스터 오실레이터(110)에서 발생하는 수 nJ 영역의 레이저 펄스를 펨토초 레이저 가공에 응용하기 용이하도록 상기 레이저 펄스의 에너지를 증폭시켜 높인다.As described above, the femtosecond laser system 100 according to the present invention amplifies the energy of the laser pulses by amplifying the energy of the laser pulses so that the laser pulses of several nJ regions generated in the master oscillator 110 can be easily applied to femtosecond laser processing.

한편, 레이저 매질은 근본적으로 제한된 폭을 갖는 이득 프로파일(gain profile)을 가지기 때문에, 입사되는 펄스의 파장(wavelength)에 따라 증폭되는 배율이 달라지면서 증폭된 펄스의 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지는 이득 좁아짐(gain narrowing)이 발생한다. 이에 따라 펄스의 시간 폭이 넓어지는 문제가 발생한다. On the other hand, since the laser medium has a gain profile having a fundamentally limited width, the magnification to be amplified varies depending on the wavelength of the incident pulse, and the gain narrowing in which the spectrum bandwidth of the amplified pulse is narrowed gain narrowing occurs. As a result, there arises a problem that the time width of the pulse is widened.

도 2는 본 발명의 일 실시예로, 증폭되어 출력된 펄스의 이득 좁아짐에 따른 스펙트럼 특성을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 2 is a graph for explaining spectral characteristics according to a gain narrowing of an amplified and outputted pulse according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2를 참조하면, 먼저, (a)와 같은 스펙트럼을 갖는 입력 펄스(input pulse)를 (b)와 같이 제한된 폭의 이득 프로파일을 갖는 레이저 매질에 인가하면, 입력펄스가 증폭되는 과정에서 입력펄스의 중심 파장(central wavelength: λc)에서는 증폭이 계속 이루어지지만 중심에서 벗어난 가장자리 파장에서는 이득이 낮아서, 증폭되는 비가 중심 파장보단, 가장자리 파장에서 작아진다. Referring to FIG. 2, when an input pulse having a spectrum as shown in (a) is applied to a laser medium having a gain profile of a limited width as shown in (b) In the central wavelength (λc), the amplification is continued, but the gain at the off-center edge wavelength is low, so that the amplification ratio becomes smaller at the edge wavelength than at the center wavelength.

즉, 입력펄스가 증폭기의 공진기 내에서 왕복으로 왔다 갔다 하면 레이저 이득 매질을 지나가는 횟수가 증가하면서 증폭되는 비의 차이가 누적되면서 중심 파장에 비해 가장자리 파장에서 그 세기가 상대적으로 더 낮아진다.  That is, if the input pulse travels back and forth in the resonator of the amplifier, the intensity of the amplified signal increases as the number of passes through the laser gain medium increases, and the intensity at the edge wavelength becomes relatively lower than the center wavelength.

도 2의 그래프에서 보면, (c)의 출력 펄스 스펙트럼의 폭이 (a)의 입력 펄스 스펙트럼의 폭에 비하여 좁아짐을 알 수 있다.In the graph of FIG. 2, it can be seen that the width of the output pulse spectrum of (c) becomes narrower than the width of the input pulse spectrum of (a).

이처럼, 레이저 펄스의 스펙트럼 밴드 폭이 좁아지면, 레이저 펄스의 시간 폭이 넓어져서, 펨토초 레이저 시스템에서 출력된 레이저빔과 가공물 사이의 상호작용에서 열이 확산되어, 실질적으로 가공물의 가공 결과가 나빠지게 된다.Thus, if the spectral band width of the laser pulse is narrowed, the time width of the laser pulse is widened so that the heat is diffused in the interaction between the laser beam output from the femtosecond laser system and the workpiece, do.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 펄스의 시간 폭을 줄이도록 증폭기(170)내에 종자 펄스를 인가하기 전에, 스펙트럼 성형기(140)를 이용하여 원하는 형태의 스펙트럼을 갖도록 성형하거나, 마스터 오실레이터(110) 또는 증폭기(170) 내에서 복수의 레이저 매질의 광학적 축에 대해 변화를 주어 스펙트럼 밴드 폭이 좁아짐을 방지할 수 있다.Accordingly, in one embodiment of the present invention, the spectral shaping unit 140 may be used to form a spectrum having a desired shape before applying the seed pulse in the amplifier 170 to reduce the time width of the laser pulse, or the master oscillator 110 ) Or the optical axis of the plurality of laser media in the amplifier 170 to prevent narrowing of the spectral band width.

또한, 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓히는 방법은 공간적 분산 증폭(spatial dispersive amplification), 공진기 내부에 광학 소자를 삽입하여 스펙트럼을 변형시키는 방법, 비선형 펄스 압축 등을 사용할 수 있다.Methods for broadening the spectral bandwidth of a pulse include spatial dispersive amplification, a method of changing the spectrum by inserting an optical element in the resonator, and nonlinear pulse compression.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 스펙트럼 성형기를 이용하여 스펙트럼 성형에 따른 출력펄스의 스펙트럼 변화를 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 3 is a graph for explaining a spectral change of an output pulse according to spectral shaping using a spectral shaping machine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 3을 참조하면, (a)와 같은 스펙트럼을 갖는 입력 펄스를 (b)와 같이 제한된 폭의 이득 프로파일(gain profile)을 갖는 레이저 매질에 인가하기에 앞서서 (c)와 같이 중심파장에서는 세기를 낮게 하고 중심에서 조금 벗어난 파장에서는 세기가 높은 M-모양으로 스펙트럼 성형(spectrum shaping:SS)을 한다. Referring to FIG. 3, before applying the input pulse having the spectrum shown in (a) to the laser medium having a gain profile of a limited width as in (b), the intensity at the center wavelength And spectrum shaping (SS) is performed in a high-intensity M-shape at a wavelength slightly deviated from the center.

이렇게 변형된 스펙트럼을 갖는 펄스가 (b)와 같은 이득 프로파일을 갖는 레이저 매질에 인가되면 중심 파장에서는 이득이 낮고 중심에서 조금 벗어난 파장에서 이득이 높다. When a pulse with such a modified spectrum is applied to a laser medium having a gain profile as in (b), the gain is low at the center wavelength and high at the wavelength slightly off center.

레이저 펄스가 증폭기(170)의 공진기 내에서 왕복으로 왔다 갔다 하면 레이저 이득 매질을 지나가는 횟수가 증가함으로써 파장에 따라서 증폭되는 비의 차이가 누적되면서 (d)와 같은 출력 펄스 스펙트럼을 갖는 출력 펄스가 된다. When the laser pulse oscillates back and forth in the resonator of the amplifier 170, the number of times of passing through the laser gain medium increases, and the difference in the ratio amplified in accordance with the wavelength accumulates, resulting in an output pulse having the same output pulse spectrum as in (d) .

출력 펄스 스펙트럼(d)를 규격화(normalization) 시키면, (e)와 같이, 그의 밴드 폭은 (a)의 입력 펄스 스펙트럼의 밴드 폭에 비하여 넓어졌음을 알 수 있다.When the output pulse spectrum d is normalized, it can be seen that its band width is wider than the band width of the input pulse spectrum of (a) as shown in (e).

한편, 스펙트럼 밴드 폭이 줄어드는 것을 방지하기 위하여, 위와 같이, 스펙트럼 성형기를 이용한 펄스의 스펙트럼 변형뿐만 아니라 마스터 오실레이터(110)나 증폭기(170)에 포함된 레이저 발생장치에 복수의 레이저 매질을 사용하고, 상기 복수의 레이저 매질 각각이 가지고 있는 고유의 이득 스펙트럼을 결합(spectral combining)시킬 수 있다.In order to prevent the spectral band width from being reduced, a plurality of laser mediums are used for the laser oscillator included in the master oscillator 110 or the amplifier 170 as well as the spectral distortion of the pulse using the spectrum shaping machine, And can spectrally combine the inherent gain spectra of each of the plurality of laser media.

즉, 방사 단면적의 최대값에 해당하는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 매질의 이득 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다.That is, the gain spectrum of a plurality of laser mediums having different wavelengths corresponding to the maximum value of the radiation sectional area can be overlapped to broaden the spectral bandwidth of the pulse.

이때, 사용되는 레이저 매질은 비결정 매질과 결정매질, 비결정 매질과 비결정 매질, 결정매질과 결정매질 어느 것이든 사용 가능하고, 레이저 매질의 수는 제한 없이 사용 가능하다. 또한, 결정 매질은 등방성 매질 및 비등방성 매질 모두를 포함할 수 있다. 또한, 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓히기 위해, 다음 도 4 및 도 5와 같이, 레이저 발생장치는 동일 종류의 복수의 레이저 매질을 사용하고, 광학적 축에 따라 방사 단면적의 스펙트럼이 다른 특성을 이용하여, 상기 광학적 축에 따른 레이저 매질의 스펙트럼을 중첩시켜 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다. At this time, the laser medium to be used can be an amorphous medium, a crystal medium, an amorphous medium and an amorphous medium, a crystal medium and a crystal medium, and the number of laser mediums is not limited. In addition, the crystalline medium may include both an isotropic medium and an anisotropic medium. 4 and 5, the laser generating apparatus uses a plurality of laser media of the same kind and uses characteristics different in the spectrum of the radiation cross-sectional area along the optical axis, so as to broaden the spectral bandwidth of the pulse, The spectrum of the laser medium along the optical axis can be overlapped to broaden the spectral bandwidth of the pulse.

예를 들어, 레이저 매질이 Yb:KYW 또는 Yb:KGW와 같은 비등방성 레이저 결정일 경우, 상기 비등방성 레이저 결정으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 결정의 어떤 축 방향과 평행하느냐에 따라 방사 단면적(emission cross-section)의 스펙트럼이 다르다. For example, when the laser medium is anisotropic laser crystal such as Yb: KYW or Yb: KGW, the direction of polarization of the laser beam generated from the anisotropic laser crystal is parallel to an axis direction of the crystal, -section) have different spectra.

실험적으로, Yb:KYW 레이저 결정의 Nm, Np, Ng 와 같은 광학적 축 (optical axes)을 기준으로, 파장 1015 ~ 1050 nm 영역에서 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정의 Nm축과 실질적으로 평행할 때 방사 단면적이 가장 크고, 다음으로 Np-축과 실질적으로 평행할 때 크고, 마지막으로 Ng-축과 실질적으로 평행할 때는 Nm-축과 실질적으로 평행할 때보다 거의 10배 정도 작다. Experimentally, when the polarization direction of the laser beam in the wavelength range of 1015 to 1050 nm is substantially parallel to the Nm axis of the laser crystal, based on optical axes such as Nm, Np and Ng of the Yb: KYW laser crystal Axis and is substantially larger when it is substantially parallel to the Np-axis, and is substantially 10 times smaller than when it is substantially parallel to the Nm-axis when it is substantially parallel to the Ng-axis.

이러한 실험은 광학적 축이 아니라 a-축, b-축, c-축과 같은 결정학적 축(crystallographic axes)을 사용하여 펄스의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다.These experiments can extend the spectral bandwidth of the pulses using crystallographic axes such as the a-, b-, and c-axes, rather than the optical axis.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축 또는 Np-축 방향과 실질적으로 평행할 때, 레이저 결정의 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 나타낸 것이고, 도 5는 도 4의 방사 단면적의 스펙트럼을 결합하여 나타난 스펙트럼 특성을 나타낸 도이다.FIG. 4 is a graph showing the relationship between the polarization direction of the laser beam generated from the laser crystal (Yb: KYW) and the Nm-axis or Np-axis direction of the laser crystal (Yb: KYW) FIG. 5 is a graph showing spectral characteristics obtained by combining the spectrum of the radiation cross-sectional area of FIG. 4; FIG.

도 4 를 참조하면, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Nm-축과 실질적으로 평행할 때, 파장이 1025 nm 부근에서 방사 단면적이 최대값을 갖고, 이에 따라 (a)와 같은 스펙트럼 분포를 나타내고, 레이저 결정(Yb:KYW)으로부터 발생된 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 결정(Yb:KYW)의 Np-축과 실질적으로 평행할 때, 1040 nm 부근에서 방사 단면적이 최대값을 갖고, (b)와 같은 스펙트럼 분포를 나타낸다.4, when the polarization direction of the laser beam generated from the laser crystal (Yb: KYW) is substantially parallel to the Nm-axis of the laser crystal (Yb: KYW), when the wavelength is near 1025 nm, (A), and when the polarization direction of the laser beam generated from the laser crystal (Yb: KYW) is substantially parallel to the Np-axis of the laser crystal (Yb: KYW) The radiation cross-section has a maximum value at around 1040 nm, and shows the spectrum distribution as shown in (b).

도 5를 참조하면, (a)는 도 4의 (a)와 (b)의 방사 단면적의 스펙트럼을 1:1로 결합하여, 스펙트럼의 밴드 폭을 넓힌 것이고, (b)는 방사 단면적의 스펙트럼 밴드 폭을 더 넓히기 위해, 도 4의 (a)와 (b)의 방사 단면적의 스펙트럼을 1:3으로 결합한 것이다.Referring to FIG. 5, (a) shows the spectrum of the radiation cross-sectional area of FIG. 4 (a) and (b) combined at a ratio of 1: 1 to broaden the spectrum width, To broaden the width, the spectrum of the radiation cross-sectional area of FIGS. 4 (a) and 4 (b) is combined at 1: 3.

도 5에서는 방사 단면적의 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있는 한 예를 설명하였지만, 서로 다른 방사 단면적의 스펙트럼 특성을 다양하게 결합하여 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있다. 이때, 스펙트럼 결합은 레이저 결정으로부터 발생되는 레이저 빔의 출력을 높이기 위해 방사 단면적이 가능한 큰 값을 갖는 광학적 축을 이용함이 바람직하다. 5 shows an example in which the spectral bandwidth of the radiation sectional area can be widened. However, it is possible to broaden the spectrum bandwidth by variously combining the spectral characteristics of different radiation sectional areas. At this time, the spectral coupling preferably uses an optical axis having a large radiation cross-sectional area so as to increase the output of the laser beam generated from the laser crystal.

한편, Yb:KYW 또는 Yb:KGW 레이저 결정은 방사 단면적 뿐만 아니라 흡수 단면적이 특정 축 방향에 따라 다르기 때문에, 광 펌핑 효율을 높이기 위해 펌핑 광의 편광 방향도 다양한 형태로 조합 할 수 있다. Meanwhile, since the Yb: KYW or Yb: KGW laser crystal has not only the radiation cross-sectional area but also the absorption cross-sectional area depending on the specific axial direction, the polarization direction of the pump light can be combined in various forms to improve the optical pumping efficiency.

바람직하기론, Ng-축 방향의 흡수 단면적은 Nm-축 방향의 흡수 단면적보다 10배 정도 작고, Nm-축 방향의 흡수 단면적이 Np-축 방향의 흡수 단면적보다 약 5배 정도 크기 때문에, 펌핑 광의 편광 방향이 상기 레이저 결정의 Nm-축 에 실질적으로 평행하도록 한다.Preferably, the absorption cross-sectional area in the Ng-axis direction is about 10 times smaller than the absorption cross-sectional area in the Nm-axis direction and the absorption cross-sectional area in the Nm-axis direction is about 5 times larger than the absorption cross- Axis is substantially parallel to the Nm-axis of the laser crystal.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.6 is a schematic diagram of a laser beam generator according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(200)는 마스터 오실레이터(미도시)에 포함될 수 있고, 레이저 매질(C1, C2), 이색성 미러(DM), 포커싱 렌즈(FL), 콜리메이팅 렌즈(CL), 제 1파장판(24), 레이저 다이오드(21), 광섬유(22), 및 빔 덤퍼(30)을 포함한다.As shown, the laser beam generator 200 can be included in a master oscillator (not shown) and includes laser media C1 and C2, a dichroic mirror DM, a focusing lens FL, a collimating lens CL A first wavelength plate 24, a laser diode 21, an optical fiber 22, and a beam damper 30.

레이저 매질(C1, C2)를 중심으로 양측에 각각 레이저 다이오드(21)가 배치되고, 각각의 레이저 다이오드(21)는 각각 광섬유(22)와 광학적으로 연결된다. 이러한 레이저 다이오드(21)는 펌핑 광을 발생시키기 위한 광원으로, 각 광섬유(22)를 통하여 레이저 매질(C1, C2)에 핌핑 광을 인가시킨다.Laser diodes 21 are disposed on both sides of the laser mediums C1 and C2 and the laser diodes 21 are optically connected to the optical fibers 22, respectively. The laser diode 21 is a light source for generating pumping light and applies pumping light to the laser mediums C 1 and C 2 through the respective optical fibers 22.

레이저 매질(C1, C2)의 종류나 레이저 매질(C1, C2)의 배치구조에 대해선, 펄스의 스펙트럼 특성, 열적 특성, 효율, 출력 등을 고려하여 다양하게 조합할 수 있다. The types of the laser media C1 and C2 and the arrangement of the laser media C1 and C2 can be variously combined in consideration of spectral characteristics, thermal characteristics, efficiency, and output of pulses.

제 1파장판(24)은 반파장판(l/2)이며 상기 펌핑 광의 경로를 따라 각각의 광섬유(22) 다음에 배치되어, 레이저 다이오드(21)에서 발생된 광의 편광방향을 조정한다.The first wave plate 24 is a half wave plate (1/2) and is disposed after each optical fiber 22 along the path of the pumping light to adjust the polarization direction of the light generated in the laser diode 21.

콜리메이팅렌즈(CL) 및 포커싱렌즈(FL)는 펌핑 광의 경로를 따라 제 1 파장판(24) 다음에 각각 순차적으로 배치되어, 상기 제 1 반파장판(24)에서 편광된 상기 핌핑 광을 레이저 매질(C1, C2)에 집속시킨다. The collimating lens CL and the focusing lens FL are sequentially disposed after the first wave plate 24 along the path of the pumping light so that the pumping light polarized at the first half wave plate 24 is reflected by the laser medium (C1, C2).

이색성 미러(DM)는 레이저 매질(C1, C2)을 통하여 발생된 레이저 빔을 반사하고, 상기 레이저 다이오드(21)로부터 발생된 펌핑 광을 투과하기 위하여 상기 레이저 매질(C1, C2)을 사이에 두고 전, 후측으로 배치된다.The dichroic mirror DM reflects the laser beam generated through the laser mediums C1 and C2 and transmits the laser light through the laser mediums C1 and C2 in order to transmit the pumping light generated from the laser diode 21. [ And is disposed on the front and rear sides.

한편, 제 1 파장판(24), 콜리메이팅렌즈(CL), 포커싱 렌즈(FL), 이색성 미러(DM), 레이저 매질(C1, C2)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 주변 환경, 예를 들어, 온도 혹은 습도의 변화가 있을 때에도 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광이 레이저 매질에 입사되는 빔 정렬 특성을 유지할 수 있도록 기구적인 부품 체결을 통해 일체형을 이루는 광펌핑 모듈의 형태로 제작될 수 있다On the other hand, the first wavelength plate 24, the collimating lens CL, the focusing lens FL, the dichroic mirror DM, and the laser mediums C1 and C2 are not shown in the drawing, For example, even when there is a change in temperature or humidity, the pumping light generated from the laser diode can be fabricated in the form of an integrated optical pumping module through mechanical component fastening so as to maintain the beam alignment characteristic of entering the laser medium

빔 덤퍼(30)는 레이저 매질(C1, C2) 사이에 배치되어, 레이저 펄스를 증폭시키는 과정에서 발생되는 펌핑 광 및 레이저 빔의 정렬 특성이 저하되는 것을 방지한다. 빔 덤퍼에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다. The beam damper 30 is disposed between the laser media C1 and C2 to prevent degradation of the alignment characteristics of the pumping light and the laser beam generated in the process of amplifying the laser pulse. A detailed description of the beam damper will be described later.

추가로, 빔 경로를 조절할 수 있는 광학부품, 예를 들어, 오목 거울, 볼록 거울, 전반사 거울 등이 레이저 발생장치에 추가되어 레이저 빔의 경로를 조절할 수 있다.In addition, optical components capable of adjusting the beam path, such as concave mirrors, convex mirrors, total reflection mirrors, etc., can be added to the laser generator to adjust the path of the laser beam.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레이저 빔 발생장치의 개략도이다.7 is a schematic view of another laser beam generator according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생장치(300)는 증폭기(미도시)에 포함될수 있고, 레이저 매질(C1, C2), 이색성 미러(DM), 포커싱 렌즈(FL), 콜리메이팅 렌즈(CL), 제 1파장판(24), 제 2파장판(25), 박막 편광기(TFP), 오목 거울(CM1, CM2), 전반사 거울(FM), 레이저 다이오드(21), 광섬유(22), 포켈 셀(23) 및 빔 덤퍼(30)을 포함한다. As shown, the laser beam generator 300 can be included in an amplifier (not shown) and includes laser media C1 and C2, a dichroic mirror DM, a focusing lens FL, a collimating lens CL, The first wavelength plate 24, the second wavelength plate 25, the thin film polarizer TFP, the concave mirrors CM1 and CM2, the total reflection mirror FM, the laser diode 21, the optical fiber 22, (23) and a beam damper (30).

레이저 빔 발생장치는 도 6의 레이저 빔 발생장치의 구조와 거의 유사하다. 따라서, 유사한 광학부품에 대한 설명은 생략하기로 한다.The laser beam generator is almost similar to the laser beam generator of FIG. Therefore, description of similar optical components will be omitted.

다만, 오목 거울(CM1, CM2) 및 전반사 거울(FM)은 레이저 빔의 경로를 바꿔주는 역할을 한다. 오목 거울(CM1, CM2) 및 전반사 거울(FM)의 수와 위치는 레이저 빔 발생장치의 규모 혹은 빔 경로의 이동거리에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 빔 경로 변환 수단으로 오목거울 및 전반사 거울에 대해서만 설명하였지만, 볼록 거울, 평판 거울 등과 같은 그 외의 빔 경로 변환 수단을 모두 이용할 수 있다 However, the concave mirrors CM1 and CM2 and the total reflection mirror FM serve to change the path of the laser beam. The number and position of the concave mirrors CM1 and CM2 and the total reflection mirrors FM may vary depending on the scale of the laser beam generator or the moving distance of the beam path. In the embodiment of the present invention, only the concave mirror and the total reflection mirror are described as the beam path conversion means, but any other beam path conversion means such as a convex mirror, a flat plate mirror,

포켈 셀(23), 제 2 파장판(25) 및 박막 편광기(TFP)는 광 경로 방향에 배치되어, 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔을 외부로 인출시키기 위한 스위치 역할을 한다. 여기서 제 2 파장판(25)은 l/4 파장판이다. 예를 들어, 상기 광학부품들을 통하여 증폭된 레이저 빔의 편광방향을 변화시키기 위하여 포켈 셀(23)에 수 kV전압을 인가한다.The Pockels cell 23, the second wave plate 25 and the thin film polarizer TFP are disposed in the optical path direction and serve as a switch for drawing out the laser beam generated in the laser medium to the outside. Here, the second wavelength plate 25 is a 1/4 wavelength plate. For example, a voltage of several kV is applied to the Pockels cell 23 to change the polarization direction of the laser beam amplified through the optical components.

도 8은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다. 8 is an optical conceptual diagram of a femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)은 각각 광학적 축에 기초하여 결정면을 갖고, 각 결정면은 광학적 축에 수직방향으로 형성된다. 즉, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)은 각각 공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 결정면을 갖고, 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2)은 서로 다르게 정렬된다.As shown, the first and second laser media C1 and C2 each have a crystal plane based on an optical axis, and each crystal plane is formed in a direction perpendicular to the optical axis. That is, the first and second laser media C1 and C2 have crystal planes having spatially mutually perpendicular Ng, Np and Nm axes, respectively, and the first laser medium C1 and the second laser medium C2 They are arranged differently.

또한, 제 2 레이저 매질(C2)은 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.The second laser medium C2 includes an Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium C1, an Nm axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium C1, Axis and an Ng axis substantially parallel to the Nm-axis of the laser beam generator C1.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)에 각각 인접하여 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에 펌핑 광이 입사되도록 제 1 및 제 2 레이저 다이오드가 배치된다. Although not shown in the drawing, the first and second laser mediums C1 and C2 are disposed adjacent to the first laser medium C1 and the second laser medium C2, respectively, so that pumping light is incident on the first and second laser media C1 and C2. 2 laser diodes are arranged.

제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치한다.The first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged so that the traveling direction of the laser beam generated in the first and second laser media C1 and C2 is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium And is disposed substantially parallel to the Np-axis of the second laser medium C2.

이때, 이미 앞서도 서술하였지만, 스펙트럼 밴드 폭을 넓힐 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 레이저 빔 발생장치 내에서 공진하는 동안, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제1 레이저 매질(C1)의 Np축에 대해 실질적으로 평행하게 하고, 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 열적 특성이 서로 다른 레이저 매질의 축 방향으로 레이저 빔이 진행되어 열적 효과에 따른 빔의 일그러짐 없이 빔의 품질을 향상시킬 수 있다.The first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged so that the first and second laser mediums C1 and C2 are in resonance in the laser beam generator so that the spectral bandwidth can be widened, (C2) of the second laser medium (C2) so as to be substantially parallel to the Np axis of the first laser medium (C1) and substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium (C2) . Accordingly, the laser beam advances in the axial direction of the laser medium having different thermal characteristics, and the quality of the beam can be improved without distorting the beam according to the thermal effect.

또한, 효율을 높일 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다.In order to increase the efficiency, the first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged such that the polarization direction Epump of the first pumping light generated from the first laser diode is Nm Axis so that the polarization direction Epump of the second pumping light generated from the second laser diode is substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium C2.

즉, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향은 방사 단면적을 고려하여 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2) 중 어느 하나의 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고, 나머지 하나의 Np-축과 실질적으로 평행하도록 하여, 스펙트럼 밴드 폭을 넓히고, 동시에 열적 효과에 따른 빔 일그러짐을 방지한다. 또한, 제 1 및 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광의 편광 방향(Epump)은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하도록 하여 효율을 향상시킨다.That is, the polarization direction of the laser beam generated from the first laser medium C1 and the second laser medium C2 is determined by taking into account the radiation cross-sectional area, the Nm-axis of any one of the first and second laser media C1 and C2 Axis and is substantially parallel to the remaining one Np-axis, thereby widening the spectral bandwidth and at the same time preventing beam distortion due to the thermal effect. In addition, the polarization direction (Epump) of the pumping light generated from the first and second laser diodes is substantially parallel to the Nm-axis of the first laser medium (C1) and the second laser medium (C2) Thereby improving the efficiency.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 두 개의 레이저 매질을 이용하여 레이저 매질의 열적 특성을 일차적으로 보완하여 빔 품질을 향상시키고, 서로 다른 이득 스펙트럼 분포를 결합하여 밴드 폭을 넓혔지만, 밴드 폭을 더욱 넓혀 펄스의 시간 폭을 줄일 수 있도록 3개 이상의 레이저 매질을 이용할 수 있다. 이에 대한 레이저 매질들의 배열 및 이를 포함한 레이저 시스템은 어떤 형태로든 자유롭게 구체화 할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thermal properties of the laser medium are primarily compensated for by using two laser media to improve beam quality and to combine different gain spectral distributions to broaden the band width, Three or more laser media can be used to widen the pulse width to reduce the pulse width. The arrangement of the laser media and the laser system including it can be freely embodied in any form.

도 9는 본 발명에 따른 일 실시예로, 레이저 매질의 배치 구조에 따라 실험적으로 나타난 레이저 빔 특성을 나타낸 도이다.9 is a diagram illustrating laser beam characteristics experimentally performed according to an arrangement structure of a laser medium according to an embodiment of the present invention.

도 9의 (a), (b), (c)의 공통 실험 조건은, 레이저 매질의 크기가 2× 2×5mm3로 동일하고, Yb의 도핑 비율은 3%, 출력 펄스의 파워는 13~15W와, 펌핑광의 편광방향(Epump)은 각각 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 한다.9 (a), 9 (b) and 9 (c), the laser medium size is equal to 2 × 2 × 5 mm 3 , the doping ratio of Yb is 3% 15W and the polarization direction Epump of the pumping light are substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium and the second laser medium, respectively.

위와 같은 공통실험 조건을 기초로, 도 9의 (a)는, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 상기 제 1 레이저 매질과 동일하게 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 레이저 빔의 형상은 타원형을 띄면서 빔이 일그러지고, 이에 따라 빔 품질이 떨어짐을 알 수 있다.9A is a graph showing the relationship between the polarization direction of the laser beam and the polarization direction of the laser beam in the case of the first laser medium in such a manner that the traveling direction of the laser beam is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, Elaser) is substantially parallel to the Np-axis of the first laser medium, and in the case of the second laser medium, the traveling direction of the laser beam is substantially parallel to the Ng-axis of the second laser medium And the polarization direction (Elaser) of the laser beam is arranged substantially parallel to the Nm-axis of the second laser medium. As can be seen from the figure, the shape of the laser beam is elliptical, and the beam is distorted, thereby deteriorating the beam quality.

도 9의 (b)는, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 레이저 빔의 형상은 타원형을 띄면서 빔이 일그러지고, 이에 따라 빔 품질이 떨어짐을 알 수 있다.FIG. 9B shows a case where the direction of advance of the laser beam is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium and the polarization direction (Elaser) of the laser beam is Nm Axis of the second laser medium is substantially parallel to the Np axis of the second laser medium in the case of the second laser medium and the polarization direction (Elaser) of the laser beam is Nm Lt; RTI ID = 0.0 > parallel < / RTI > As can be seen from the figure, the shape of the laser beam is elliptical, and the beam is distorted, thereby deteriorating the beam quality.

반면, 도 9의 (c)와 같이, 제 1 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 1 레이저 매질의 Ng 축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 제 2 레이저 매질의 경우, 레이저 빔의 진행방향이 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 하고, 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하게 배치될 때 나타난 빔 특성이다. 도면에서 보는 바와 같이, 빔의 형상이 일그러짐없이 원형에 가까워, 빔 품질이 향상됨을 알 수 있다. On the other hand, in the case of the first laser medium, as shown in (c) of FIG. 9, the laser beam advancing direction is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, and the polarization direction (Elaser) The direction of the laser beam is substantially parallel to the Np axis of the second laser medium and the polarization direction of the laser beam is in a direction substantially parallel to the Np axis of the second laser medium, Is a beam characteristic that appears when disposed substantially parallel to the Nm axis of the medium. As shown in the figure, the shape of the beam is close to a circle without distortion, and the beam quality is improved.

한편, 가공하고자 하는 물질 또는 생산 현장의 환경, 레이저 시스템의 안정성 등을 고려하여 높은 평균 출력의 펨토초 레이저를 이용함이 바람직하다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서, 다음 도 10과 같이 빔의 평균 출력 향상을 위하여 레이저 매질의 배치구조를 달리할 수 있다.On the other hand, it is preferable to use a femtosecond laser with a high average power in consideration of the material to be processed or the environment of the production site and the stability of the laser system. Therefore, in one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 10, the arrangement structure of the laser medium may be different for improving the average power of the beam.

도 10은 본 발명에 따른 다른 실시예로, 레이저 빔의 평균 출력을 향상시키기 위한 레이저 매질의 배치 구조를 설명하기 위한 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다. 10 is an optical conceptual diagram of a femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium for improving an average output of a laser beam according to another embodiment of the present invention.

도 10은 도 8의 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도와 유사하다. 즉, 제 2 레이저 매질(C2)은 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Np 축에 실질적으로 평행한 Ng축, 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축에 실질적으로 평행한 Nm축을 갖도록 레이저 빔 발생 장치 내에 배치된다.10 is similar to the optical conceptual diagram of the femtosecond laser device of FIG. That is, the second laser medium C2 includes an Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium C1, an Ng axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium C1, Axis and an Nm axis substantially parallel to the Nm-axis of the laser beam source C1.

제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은, 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에서 발생한 레이저 빔의 진행 방향이 제 1 레이저 매질(C1)의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치하고, 상기 제 2 레이저 매질(C2)의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치한다. 또한, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 각각 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. The first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged such that the traveling direction of the laser beam generated in the first and second laser media C1 and C2 is substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium C1 And arranged so as to be substantially parallel to the Np-axis of the second laser medium C2. The first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged such that the polarization direction of the laser beam is substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium C1 and the second laser medium C2, .

즉, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 방사 단면적을 높여 빔의 평균 출력을 향상시킬 수 있도록 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)을 배치시키도록 한다.That is, the first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged such that the average cross-sectional area of the first laser medium C1 and the second laser medium C2 is increased to improve the average power of the beam. do.

이때, 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)은 펌핑 광의 편광방향(Epump)이 각각 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 레이저 다이오드로부터 발생된 펌핑 광이 제 1 레이저 매질(C1) 및 제 2 레이저 매질(C2)에 흡수되기 위한 흡수 단면적이 커지게 되어 레이저 빔 발생 효율이 향상된다.At this time, the first laser medium C1 and the second laser medium C2 are arranged such that the polarization direction Epump of the pumping light is substantially parallel to the Nm-axis of the first laser medium C1 and the second laser medium C2, respectively . Accordingly, the absorption cross section for absorbing the pumping light generated from the laser diode into the first laser medium (C1) and the second laser medium (C2) is increased, and the laser beam generating efficiency is improved.

도 10에 기초한 본 발명의 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치는 도 8의 실시예에 마찬가지로, 3개 이상의 레이저 매질을 이용할 수 있다.The femtosecond laser apparatus according to the embodiment of the present invention based on FIG. 10 can use three or more laser media in the embodiment of FIG.

도 11은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.11 is an optical conceptual diagram of another femtosecond laser device for explaining a layout structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.

도 11의 펨토초 레이저 장치에 따른 광한 개념도는 도 8의 광학 개념도와 유사하다. 따라서, 동일한 특징들에 대한 설명은 생략하기로 한다.A schematic conceptual view according to the femtosecond laser device of FIG. 11 is similar to the optical conceptual view of FIG. Therefore, description of the same features will be omitted.

도시된 바와 같이, 광학부품(10)은 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 광학부품(10)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Np축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다. As shown, the optical component 10 is disposed between the first laser medium C1 and the second laser medium C2. The optical component 10 is configured such that the polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media C1 and C2 is the Np axis of the first laser medium C1 and the Nm of the second laser medium C2 Axis so as to be substantially parallel to the axis.

즉, 광학부품(10)은 레이저 빔 펄스의 스펙트럼 밴드 폭 변경뿐만 아니라 레이저 매질에서 나타나는 열적 효과에 따른 빔의 일그러짐이 나타나지 않도록, 레이저 빔의 편광 방향을 레이저 매질의 특정 광학적 축에 실질적으로 평행하게 한다. 따라서 레이저 매질에서 발생된 레이저 빔이 도 9의 (c)와 같이 원형에 가까워져 빔의 품질을 향상 시킬 수 있다.That is, the optical component 10 can change the polarization direction of the laser beam substantially parallel to the specific optical axis of the laser medium, so as not to change the spectral band width of the laser beam pulse as well as to distort the beam according to the thermal effect appearing in the laser medium. do. Therefore, the laser beam generated from the laser medium can be made closer to the circular shape as shown in FIG. 9 (c), thereby improving the quality of the beam.

이때, 광학 부품(10)은 편광 변환기와 같이 빔의 편광 방향을 변경시킬 수 있는 부품이면 어느 것이든 가능하다. 편광 변환기는 반파장판(Half-wave plates), 복수의 프레넬의 사방체(Double Fresnel rhomb), 광대역 프리즘 회전자(Broadband prismatic rotator), 파라데이 회전기(Faraday rotator), 복수의 미러 조합 등이 있다.At this time, the optical component 10 can be any component that can change the polarization direction of the beam, such as a polarization converter. The polarization converter may be a half-wave plate, a plurality of Fresnel rhombs, a broadband prismatic rotator, a Faraday rotator, or a combination of a plurality of mirrors .

한편, 레이저 빔 발생 효율, 출력보상, 레이저 매질의 수 등에 관한 설명은 도 8의 광학 개념도에서 설명한 내용과 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. The description of the laser beam generating efficiency, the output compensation, the number of laser media, and the like are the same as those described in the optical conceptual diagram of FIG. 8, and a description thereof will be omitted.

한편, 도 10의 실시예에서와 마찬가지로, 광학부품을 이용하여 레이저 빔의 편광방향을 조절함으로써, 빔의 평균출력을 향상시킬 수 있다.On the other hand, as in the embodiment of Fig. 10, the average output of the beam can be improved by adjusting the polarization direction of the laser beam using the optical component.

도 12는 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기의 레이저 빔 발생장치에 포함된 레이저 매질의 배치구조를 설명하기 위한 또 다른 펨토초 레이저 장치의 광학 개념도이다.12 is an optical conceptual diagram of another femtosecond laser apparatus for explaining an arrangement structure of a laser medium included in a laser oscillator of a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention.

도 12의 펨토초 레이저 장치에 따른 광학 개념도는 도 10의 광학 개념도와 유사하다. 따라서, 동일한 특징들에 대한 설명은 생략하기로 한다.The optical conceptual diagram according to the femtosecond laser apparatus of FIG. 12 is similar to the optical conceptual diagram of FIG. Therefore, description of the same features will be omitted.

도시된 바와 같이, 광학부품(10)은 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2) 사이에 배치된다. 광학부품(10)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향(Elaser)이 제 1 레이저 매질(C1)의 Nm축과 제 2 레이저 매질(C2)의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된다. As shown, the optical component 10 is disposed between the first laser medium C1 and the second laser medium C2. The optical component 10 is arranged such that the polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media C1 and C2 is the Nm axis of the first laser medium C1 and the Nm axis of the second laser medium C2 Axis so as to be substantially parallel to the axis.

즉, 광학부품(10)은 레이저 매질의 방사 단면적을 높여 빔의 평균 출력을 향상시킬 수 있도록, 레이저 빔의 편광 방향을 레이저 매질의 특정 광학적 축에 실질적으로 평행하게 한다. That is, the optical component 10 makes the polarization direction of the laser beam substantially parallel to the specific optical axis of the laser medium, so as to increase the emission cross-sectional area of the laser medium to improve the average power of the beam.

이때, 광학 부품(10)의 종류 및 기타 특징은 상기 도 11의 실시예와 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. At this time, the types and other features of the optical component 10 are the same as those of the embodiment of FIG. 11, and a description thereof will be omitted.

도 13은 본 발명의 일 실시예로, 마스터 오실레이터 혹은 증폭기에 포함된 레이저 빔 발생장치를 설명하기 위한 도이고, 도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 덤퍼 구조를 설명하기 위한 도이다. 도 14의 (a)는 빔 덤퍼의 평면도와 이에 따른 부분 단면도이고, 도 14의 (b)는 빔 덤퍼의 정면도와 이에 따른 부분 단면도이다.FIG. 13 is a view for explaining a laser beam generator included in a master oscillator or an amplifier according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a view for explaining a beam damper structure according to an embodiment of the present invention. 14 (a) is a plan view of a beam damper and a partial sectional view thereof, and FIG. 14 (b) is a front view of a beam damper and a partial sectional view thereof.

도 13 및 도 14를 참조하면, 레이저 빔 발생장치(200)는 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질(C1)과 제 2 레이저 매질(C2), 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질 사이에 배치된 빔 덤퍼(30)를 포함한다. 13 and 14, the laser beam generator 200 includes a first laser medium C1 and a second laser medium C2 disposed opposite to each other, and a second laser medium C2 disposed between the first laser medium and the second laser medium (30).

빔 덤퍼(30)는 상기 빔 덤퍼(30)의 중앙부에 형성된 홀(33)과 상기 홀(33) 주변에 빔 흡수부(32)를 포함한다.The beam damper 30 includes a hole 33 formed in the center of the beam damper 30 and a beam absorber 32 around the hole 33.

빔 덤퍼의 홀(33)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1)로부터 발생된 레이저 빔이 통과하도록 하고, 빔 덤퍼의 빔 흡수부(32)는 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질(C2)에 흡수되지 못한 펌핑 광(pump beam)을 차단 또는 흡수할 수 있다. The hole 33 of the beam damper allows the laser beam generated from the first and second laser media C1 to pass therethrough and the beam absorber 32 of the beam damper passes through the first and second laser media C2 And can block or absorb pump beams that are not absorbed.

레이저 다이오드(미도시)에서 발생된 펌핑 광(pump beam)은 제 1 및 제 2 레이저 매질(C1, C2)에 흡수되지만, 일부 흡수되지 못한 펌핑 광은 레이저 장치를 구성하는 광학부품(미도시), 광학 부품을 지지하는 마운트(미도시) 등에 입사된다. 따라서, 레이저 장치는 전체적으로 열 변형이 일어나 빔의 정렬특성을 떨어뜨리게 된다.The pump beam generated by the laser diode (not shown) is absorbed by the first and second laser media C1 and C2, but the pumping light which is not absorbed by the laser is absorbed by the optical component (not shown) , A mount (not shown) supporting the optical component, and the like. Therefore, the laser device is thermally deformed as a whole, and the alignment characteristic of the beam is lowered.

본 발명의 실시예에 따른 빔 덤퍼(30)는 제 1 레이저 매질(C1) 또는 제 2 레이저 매질(C2)에서 흡수되지 못한 펌핑 광이 레이저 장치를 구성하는 부품들을 가열시키지 못하도록 제 1 레이저 매질(C1) 또는 제 2 레이저 매질(C2)에서 흡수되지 못한 펌핑 광을 흡수한다. 이에 따라 레이저 빔의 정렬특성이 저하되는 것을 방지한다.The beam damper 30 according to the embodiment of the present invention may be configured such that the pumping light that is not absorbed by the first laser medium C1 or the second laser medium C2 can not be heated by the first laser medium C1) or the second laser medium (C2). Thereby preventing the alignment characteristic of the laser beam from deteriorating.

또한, 빔 덤퍼(30)는 흡수한 펌핑 광에 의해 가열되면서 주변으로 열을 전달시키는 것을 방지하기 위하여 빔 덤퍼(30) 내부에 냉각수로(31)가 형성될 수 있다. 냉각수로(31)에는 빔 덤퍼(30)가 충분히 냉각될 수 있도록 냉각수가 공급된다. 또한, 냉각수로(31)는 냉각 효율을 높일 수 있도록 냉각수의 경로를 빔 흡수부(32)에 최대한 가까우면서 길게 형성 할 수 있다.In addition, the beam damper 30 may be provided with a cooling water path 31 inside the beam damper 30 to prevent heat from being transmitted to the surroundings while being heated by the absorbed pumping light. The cooling water path 31 is supplied with cooling water so that the beam damper 30 can be sufficiently cooled. In addition, the cooling water passage 31 can form a path of the cooling water so as to be as close as possible to the beam absorbing portion 32 so as to increase the cooling efficiency.

또한, 빔 덤퍼(30)의 상측부는 연결수단이 삽입되어 레이저 발생장치를 구성하는 광학부품 혹은 광 마운트와 일체형으로 체결될 수 있는 삽입 홀(35)이 형성될 수 있다.An upper portion of the beam damper 30 may be formed with an insertion hole 35 into which the coupling means is inserted to be integrated with the optical component or optical mount constituting the laser generating device.

이러한 빔 덤퍼(30)는 다른 광학부품들과 기구적으로 연결될 경우, 펨토초 펄스의 생성 또는 증폭시키는 과정에서 발생된 광학 부품들의 열적 변형을 방지할 수 있다. 즉, 펌핑 광에 의한 광학부품들의 열은 연결수단을 통하여 빔 덤퍼에 전달되고 흡수되어 광학부품들의 열적 변형을 방지할 수 있다.Such a beam damper 30 can prevent thermal deformation of the optical components generated in the process of generating or amplifying the femtosecond pulse when mechanically connected with other optical components. That is, the heat of the optical components by the pumping light can be transmitted to the beam damper through the connecting means and absorbed to prevent thermal deformation of the optical components.

또한, 빔 덤퍼(30)는 광 마운트(미도시)와 연동하여 상기 연결수단에 고정될 수 있도록 상측단에서 스크류 체결 홀(36)을 갖을 수 있다.Further, the beam damper 30 may have a screw coupling hole 36 at an upper end thereof so as to be fixed to the connecting means in cooperation with an optical mount (not shown).

냉각수로(31)는 냉각효율을 높이도록 홀(33) 주변 혹은 빔 흡수부(32) 주변을 따라 형성될 수 있다. The cooling water path 31 may be formed around the hole 33 or around the beam absorbing portion 32 to increase the cooling efficiency.

빔 흡수부(32)는 빔 덤퍼(30)의 양측단에서 중심부로 갈수록 직경이 감소하는 형상을 갖는다. 즉, 빔 흡수부(32)는 레이저 다이오드에서 발생된 펌핑 광이 상기 빔 덤퍼(30)에 입사되어 반사되지 않도록 단면이 콘 형상을 갖을 수 있다. 물론, 빔 흡수부(32)는 빔 덤퍼(30)에서 펌핑 광의 반사율을 줄일 수 있는 구조이면 어느 것이든 가능하다. The beam absorbing portion 32 has a shape in which the diameter decreases from both ends of the beam damper 30 toward the central portion. That is, the beam absorbing portion 32 may have a conical shape in cross section so that the pumping light generated in the laser diode is incident on the beam damper 30 and is not reflected. Of course, the beam absorbing portion 32 can be any structure that can reduce the reflectance of the pumping light in the beam damper 30. [

또한, 빔 흡수부(32)는 펌핑 광의 흡수율을 높이기 위해 표면이 애노다이징 처리되거나 광 흡수율이 큰 물질로 코팅될 수 있다.In addition, the beam absorbing portion 32 may be anodized or coated with a material having a high light absorption rate to increase the absorption rate of the pumping light.

다음은 상술한 본 발명에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템을 이용한 실험 실시예이다.The following is an experimental example using the femtosecond laser device according to the present invention and the femtosecond laser system including the femtosecond laser device.

실험 Experiment 실시예Example

증폭기(170)에 인가할 종자 펄스를 발생시키기 위하여 펨토초 마스터 오실레이터(110)를 제작하였다. A femtosecond master oscillator 110 was fabricated to generate a seed pulse to be applied to the amplifier 170.

이때, 마스터 오실레이터(110)는 크기 3×3×2mm3, Yb의 도핑 비율 5at. %의 Yb:KYW 레이저 매질을 사용하여 제작되었다. At this time, the master oscillator 110 is the size 3 × 3 × 2mm 3 , Yb doping ratio 5at. % Yb: KYW laser medium.

펌핑 광의 편광 방향은 레이저 매질의 Nm축과 실질적으로 평행하게 하고, 레이저의 발진 편광 방향도 Nm축과 실질적으로 평행되게 하였다. The polarization direction of the pumping light is substantially parallel to the Nm axis of the laser medium and the oscillation polarization direction of the laser is substantially parallel to the Nm axis.

발진되는 펨토초 마스터 오실레이터(110)의 중심 파장을 증폭기(170) 공진기의 중심 파장과 맞추기 위하여 레이저 매질을 Np-축 방향으로 절단한 Np-컷을 사용하였다. An Np-cut in which the laser medium was cut in the Np-axis direction was used to match the central wavelength of the oscillating femtosecond master oscillator 110 with the center wavelength of the resonator.

마스터 오실레이터(110)에서 출력되는 레이저 빔의 중심 파장은 1035nm, 스펙트럼 밴드폭은 9.0nm, 펄스 시간 폭은 110fs, 평균 출력은 1.2W 이었다. The center wavelength of the laser beam output from the master oscillator 110 was 1035 nm, the spectrum band width was 9.0 nm, the pulse time width was 110 fs, and the average output was 1.2 W.

펄스 확장기(131)는 증폭기(170) 이전에 펄스의 길이를 시간적으로 길게 만드는 장치이며, 펄스 압축기(132)는 길게 늘어진 펄스의 시간 폭을 펨토초 영역으로 다시 짧게 되돌려 놓는 장치이다. The pulse expander 131 is a device for making the length of the pulse longer than the amplifier 170 in terms of time, and the pulse compressor 132 is a device for shortening the time width of the elongated pulse back to the femtosecond region.

이러한 처프 펄스 증폭 과정에서 수백 또는 수천 배 이상 길게 늘어진 시간폭의 펄스를 증폭기(170)에서 증폭하게 되면, 증폭된 펄스의 첨두 출력(peak power)이 낮아져서 증폭기(170) 공진기를 구성하는 광학 부품들의 물리적 손상을 방지할 수 있다. In the chirped pulse amplification process, when a pulse of a time width that is elongated several hundreds or thousands of times is amplified by the amplifier 170, the peak power of the amplified pulse is lowered, Physical damage can be prevented.

또한, 높은 첨두 출력에서 발생하는 자체 집속 효과(self-focusing effect)와 같은 비선형 현상에 의하여 펄스의 시간적 형태와 빔의 공간적 분포가 일그러지는 것을 방지할 수 있다. In addition, it is possible to prevent the temporal shape of the pulse and the spatial distribution of the beam from being distorted by non-linear phenomena such as a self-focusing effect occurring at a high peak power.

본 실험에서는 그루브 밀도(groove density)가 1500lines/mm인 투과형 회절 그레이팅(transmission diffraction grating)을 한 개 사용하여 펄스 확장기(131)와 펄스 압축기(132) 역할을 동시에 할 수 있게 설계하고 제작하였다.In this experiment, one transmission diffraction grating with a groove density of 1500 lines / mm was designed and fabricated to serve as both the pulse expander 131 and the pulse compressor 132.

마스터 오실레이터(110)의 펨토초 펄스를 이용하여 펄스 확장기(131) 및 압축기(132)를 테스트한 결과는 다음과 같다. Test results of the pulse expander 131 and the compressor 132 using the femtosecond pulse of the master oscillator 110 are as follows.

시간 폭 110fs인 펨토초 펄스는 펄스 확장기(131)에 의하여 약 50ps의 펄스로 확장되었고, 이를 다시 펄스 압축기(132)에 통과시키면 160fs로 압축되었다. The femtosecond pulse having a time width of 110 fs was expanded by a pulse expander 131 to a pulse of about 50 ps and then passed through the pulse compressor 132 to be compressed to 160 fs.

즉, 확장되기 전의 펄스 시간 폭과 압축된 후의 펄스 시간 폭의 비를 나타내는 압축비율은 1.45였다. 또한 펄스 확장기(131) 전후의 출력 변환효율은 74% 그리고 펄스 압축기(132) 전후의 출력 변환효율은 78% 이었다. That is, the compression ratio indicating the ratio of the pulse time width before expansion to the pulse time width after compression was 1.45. The output conversion efficiency before and after the pulse expander 131 was 74%, and the output conversion efficiency before and after the pulse compressor 132 was 78%.

증폭기에서 외부로 인출된 펄스들은 펄스 피커(160)(pulse picker)를 거치면서 원하는 펄스들만 통과시킨다. The pulses drawn out of the amplifier pass through only the desired pulses through the pulse picker 160 (pulse picker).

이때, 펄스 피커(160)는 주 펄스(main pulse)를 이전 펄스들(pre-pulses) 및 이후 펄스들(post-pulses)과 분리시킨다. At this time, the pulse picker 160 separates the main pulse from the previous pulses (pre-pulses) and the subsequent pulses (post-pulses).

한편, 포켈 셀(23)을 이용하여 공진기 외부로 인출하고자 하는 레이저 펄스와 그냥 공진기 외부로 새어 나오는 약한 레이저 펄스 간에 상대적인 대조비(contrast ratio)를 높이기 위하여 증폭기(170)에서는 2개의 박막 편광기를 사용하였다. On the other hand, in the amplifier 170, two thin film polarizers are used to increase the contrast ratio between the laser pulse to be drawn out of the resonator by the Pockels cell 23 and the weak laser pulse which leaks out of the resonator .

그리고, 전체 시스템에서는 박막 편광기를 추가로 배치하여 최종적인 대조비를 높였다. Further, in the whole system, a thin film polarizer was additionally disposed to increase the final control ratio.

증폭기(170)에서는 크기가 2×2×5mm3, Yb3+ 이온의 도핑 농도가 3at. %인 Yb:KYW 레이저 매질을 사용하였고, 레이저 매질 양 끝단에는 펌핑 광원과 레이저 발진 파장에 대하여 무반사 코팅을 하였다.The amplifier 170 has a size of 2 × 2 × 5 mm 3 , a doping concentration of Yb 3 + ions of 3 at . % Yb: KYW laser medium was used, and both ends of the laser medium were coated with anti-reflective coating against the pumping light source and the laser oscillation wavelength.

이색성 평면거울 DM은 981nm 파장 영역의 펌핑 광은 높은 투과도로 통과시키고, 1 마이크로미터 파장 영역의 레이저에 대해서는 높은 반사율로 반사되게 코팅하였다. The dichroic flat mirror DM coated the pumping light in the 981 nm wavelength region with high transmittance and the reflectance with a high reflectance for the laser in the 1 micrometer wavelength region.

펌핑 광원으로는 파장 981nm, 최대 출력 70W의 고휘도 레이저 다이오드(21)를 각 C1, C2 레이저 매질에 한 개씩, 즉 두 개를 사용하였다. As the pumping light source, a high-brightness laser diode 21 having a wavelength of 981 nm and a maximum power of 70 W was used for each of the C1 and C2 laser media, that is, two laser light sources were used.

본 실험에서 사용하는 Yb:KYW는 비등방성 레이저 결정으로서 광학적 축 방향에 따라서 서로 다른 특성을 나타낸다. Yb: KYW used in this experiment exhibits different characteristics depending on the optical axis direction as anisotropic laser crystal.

그래서, 레이저 다이오드(21)에 체결된 광섬유(22)(fiber)의 길이를 최대한 짧게 하여 펌핑 광의 편광 방향이 최대한 유지되게 하였다. Thus, the length of the optical fiber 22 fastened to the laser diode 21 is made as short as possible, so that the polarization direction of the pumping light is maintained to the maximum.

본 실험에서는 길이 30cm이고 코아 직경 200μm, 개구 수치(numerial aperture: NA)는 0.22인 고휘도 레이저 다이오드(21)(high-brightness laser diode)를 사용하였다. In this experiment, a high-brightness laser diode (21) having a length of 30 cm, a core diameter of 200 μm and a numerical aperture (NA) of 0.22 was used.

펌핑 광이 레이저 결정에 최대로 흡수되게 하기 위하여 광섬유(22) 다음에 반파장판 λ/2를 배치하여 편광방향을 미세하게 조절하여 펌핑 광의 편광을 Yb:KYW 결정의 Nm축과 실질적으로 평행이 되게 하였다. In order to maximize the pumping light to be absorbed into the laser crystal, the half wave plate? / 2 is disposed after the optical fiber 22 to finely adjust the polarization direction so that the polarization of the pumping light is substantially parallel to the Nm axis of the Yb: KYW crystal Respectively.

레이저 매질 C1은 Ng-축 방향으로 컷팅 된 Ng-컷으로서 펌핑 광의 편광 방향은 Nm-축과 실질적으로 수평 방향이지만, 레이저 빔의 편광 방향은 Np-축과 실질적으로 평행하도록 배치하였다. The laser medium C1 is arranged so that the polarization direction of the pumping light is substantially horizontal to the Nm-axis, while the polarization direction of the laser beam is substantially parallel to the Np-axis.

레이저 매질 C2는 Np-축 방향으로 컷팅된 Np-컷으로 펌핑 광의 편광 방향은 Nm-축과 실질적으로 평행하고, 레이저 빔의 편광 방향도 Nm-축과 실질적으로 평행하게 배치하였다. The laser medium C2 is an Np-cut cut in the Np-axis direction, the polarization direction of the pumping light is substantially parallel to the Nm-axis, and the polarization direction of the laser beam is also substantially parallel to the Nm-axis.

다시 말해서, 펌핑 광의 편광 방향은 모두 흡수 단면적이 가장 큰 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고 레이저 빔의 편광은 하나는 방사 단면적이 가장 큰 Nm-축과 실질적으로 평행하게 하고, 다른 하나는 다음으로 큰 Np-축과 실질적으로 평행하게 하여서 서로 다른 이득 스펙트럼을 결합시키고자 하는 것이다. In other words, the polarization direction of the pumping light is substantially parallel to the Nm-axis with the largest absorption cross-section, and the polarization of the laser beam is substantially parallel to the Nm-axis with the largest radiation cross-section, Axis and substantially parallel to the large Np-axis to combine the different gain spectra.

하나는 Ng-컷이고 다른 하나는 Np-컷인 레이저 매질들의 조합으로서 레이저 발진이 서로 다른 이득 스펙트럼 분포를 결합하여 그 밴드 폭을 넓혀서 더 짧은 펨토초 펄스를 발생시키고, 열적 특성이 서로 다른 축 방향으로 레이저 빔의 편광방향이 진행하게 함으로써 열적 효과를 분산시키려고 하는 것이다. A combination of laser media, one of which is Ng-cut and the other of which is Np-cut, in which the laser oscillation combines different gain spectral distributions to widen their band widths, resulting in shorter femtosecond pulses and lasers with different thermal characteristics. The polarization direction of the beam proceeds to disperse the thermal effect.

그리고 레이저 매질의 길이를 비교적 긴 5mm로 하고 도핑 비율을 3at. %로 낮게 한 것은 열적 렌즈 효과를 줄이고 높은 출력에서 출력 빔의 공간적 품질을 향상시키기 위한 것이다. The length of the laser medium is 5mm and the doping rate is 3at. % Is to reduce the thermal lens effect and improve the spatial quality of the output beam at high power.

이를 뒷받침해주는 실험 결과를 살펴보면, 가상적으로 공진기를 구성하여 출력 특성을 전산시늉(numerical simulation)할 수 있는 LASCAD 소프트웨어 (Las-CAD GmbH)를 활용해 보면, 예를 들어, 길이 5mm, 도핑 비율 3at. % 의 Yb:KYW 레이저 결정이 받는 열적 렌즈와 열적-기계적 스트레스의 광학적 강도가 길이 3mm, 도핑 비율 5at. % 의 레이저 결정이 받는 것과 비교하여 1.5배 더 약한 것으로 나타났다. The LASCAD software (Las-CAD GmbH), which can simulate the output characteristics of a resonator by virtually simulating the output characteristics, can be used, for example, with a length of 5 mm and a doping ratio of 3 at. The Yb: KYW laser crystal receives a thermal lens and the optical intensity of thermal-mechanical stress is 3mm in length, the doping rate is 5at. % Of the laser crystals were 1.5 times weaker than the ones received.

또한 컴퓨터 계산은 Ng-컷 결정과 Np-컷 결정에서 열적 렌즈의 비점수차(astigmatism) 세기는 비슷하지만 축 방향이 서로 다르다는 것을 보여주었다. Computer calculations also showed that the astigmatism intensities of the thermal lens in the Ng-cut and Np-cut crystals are similar but the axes are different.

레이저 매질에 인가되는 펌핑 광의 출력이 36W일 때 x-축 방향과 y-축 방향의 열적 초점거리의 비(fx/fy)가 Ng-컷일 때는 1.15이고 Np-컷일 때는 0.88 이었다. When the output of the pumping light applied to the laser medium was 36 W, the ratio (fx / fy) of the thermal focal distance in the x-axis direction and the y-axis direction was 1.15 at Ng-cut and 0.88 at Np-cut.

이것은 레이저 빔이 Ng-컷 결정을 통과한 후에 연속적으로 Np-컷 결정을 통과하거나, 또는 레이저 빔이 Np-컷 결정을 통과한 후에 연속적으로 Ng-컷 결정을 통과하는 경우에 증폭되는 빔의 비점수차가 부분적으로 서로 상쇄될 수 있음을 의미한다. This is because the ratio of the beam to be amplified when the laser beam passes through the Np-cut crystal successively after passing through the Ng-cut crystal, or when the laser beam passes the Ng-cut crystal continuously after passing through the Np- It means that the difference in the scores can be partially canceled each other.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 실험예에서 Yb의 도핑농도를 특정 값으로 적용하였지만, Yb의 도핑농도는 레이저 빔의 출력 세기 및 빔의 품질이 향상될 수 있는 1 ~ 10 at. %범위로 적용할 수 있다.Although the doping concentration of Yb is applied as a specific value in the experimental example according to the embodiment of the present invention, the doping concentration of Yb is in the range of 1 to 10 at. % Can be applied.

다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함한 펨토초 레이저 시스템의 실험 결과들에 관한 것이다.The present invention relates to a femtosecond laser device and an experimental result of a femtosecond laser system including the femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention.

실험 결과 Experiment result

도 15는 도 7에 따라 구성한 증폭기(170)에서 펄스가 아닌 연속 발진 모드에서 레이저 결정에 인가되는 펌핑 파워(incident pump power on crystals[W])에 따른 연속파 출력 파워(continuous wave(CW) output power)의 동작 특성을 보여준다. 15 is a graph showing the relationship between the continuous wave (CW) output power (CW) according to the pumping power (incident pump power on crystals [W]) applied to the laser crystal in the continuous oscillation mode ).

먼저, Ng-컷과 Np-컷을 갖는 레이저 매질들 각각 1개씩에만 펌핑 광을 인가하면 기울기 효율(slope efficiency)이 각각 47%, 37% 였다. First, when pumping light was applied to only one laser medium having Ng-cut and Np-cut, the slope efficiency was 47% and 37%, respectively.

이때, 인가되는 펌핑 광이 36W 일 때 최대 출력이 각각 12W, 9W였다. At this time, when the pumping light applied was 36W, the maximum output was 12W and 9W, respectively.

그리고 Ng-컷과 Np-컷을 갖는 레이저 매질들에 동시에 펌핑 광을 인가하면 기울기 효율이 약 35%였고, 인가되는 펌핑 광이 72W일 때, 증폭기(170)의 연속파 출력이 18W였다. When pumping light was simultaneously applied to laser media having Ng-cut and Np-cut, the slope efficiency was about 35%, and when the applied pumping light was 72W, the continuous wave output of the amplifier 170 was 18W.

Q-스위치 모드에서는 게이트 타임 800 ns, 펄스 반복률(repetition rate) 200kHz 일 때, 평균 출력 16W를 얻었다. In the Q-switch mode, an average output of 16W was obtained when the gate time was 800 ns and the pulse repetition rate was 200 kHz.

연속파 모드에 비하여 출력이 조금 떨어진 것은 공진기 내부에 배치한 광학 스위치에 의한 손실 때문이다. The reason why the output is slightly lower than the continuous wave mode is the loss due to the optical switch disposed inside the resonator.

펄스 시간 폭은 약 20ns 였고 펄스의 스펙트럼 밴드 폭은 약 16nm 였다.The pulse time width was about 20 ns and the spectral bandwidth of the pulse was about 16 nm.

펄스 스펙트럼은 두 개의 레이저 매질이 갖는 서로 다른 이득 피크에 따라 1035nm와 1043nm에 두 개의 피크를 갖는 M-모양을 보여 주었다. The pulse spectrum showed an M-shape with two peaks at 1035 nm and 1043 nm depending on the different gain peaks of the two laser media.

증폭기(170)에서 펄스 에너지가 증폭되는 과정에서 스펙트럼 좁아짐이 발생된다. 이를 억제하고 스펙트럼 밴드 폭을 넓히기 위하여 리옷 필터(Lyot filter)라고 불리는 편광-간섭 필터(polarization-interference filter)를 사용하여 스펙트럼 성형(spectral shaping)을 공진기 외부(extra-cavity)에서 또는 내부(intra--cavity)에서 시도하였다. A spectrum narrowing occurs in the process of amplifying the pulse energy in the amplifier 170. FIG. Spectral shaping can be performed in an extra-cavity or intra-cavity using a polarization-interference filter called a Lyot filter to suppress this and broaden the spectral bandwidth. -cavity).

한편, 스펙트럼 성형기(140)(spectral shaper)는 도 16과 같이 두 개의 편광판(122)과, 이들 사이에 배치된 복굴절 석영판(birefringent quartz plate, 121)으로 구성된다. On the other hand, the spectral shaper 140 is composed of two polarizing plates 122 and a birefringent quartz plate 121 disposed therebetween as shown in FIG.

최적의 스펙트럼 성형을 위하여 복굴절 필터에 의한 투과도 최소점이 이득 스펙트럼의 최대점과 일치되어야 하고, 그 폭들이 서로 비슷하여야 한다. For optimal spectral shaping, the minimum point of transmission by the birefringence filter should be equal to the maximum point of the gain spectrum, and the widths should be similar to each other.

이를 실현하기 위하여 두께 8mm의 석영판을 광축을 따라서 절단하고 회전 방향 φ, ψ 방향으로 정밀하게 회전할 수 있도록 하기 위하여, 회전 마운트(123)에 장착하여 투과도 최소점의 위치와 그 변조 깊이를 미세하게 조정하였다. In order to realize this, a quartz plate having a thickness of 8 mm is cut along the optical axis and mounted on the rotary mount 123 so as to be able to rotate precisely in the rotation direction? And? Direction, so that the position of the minimum transmission point and the modulation depth thereof are finely Respectively.

마지막 단계로 펄스 확장 및 스펙트럼 성형된 종자 펄스를 증폭기(170)에 인가하여 도 1과 같은 전체 시스템을 구성하고 그 동작 특성을 측정하였다. As a final step, pulse extension and spectrally shaped seed pulses are applied to the amplifier 170 to configure the overall system as shown in FIG. 1 and to measure its operating characteristics.

도 17은 펄스 확장기(131)에 의해 처핑된 펄스를 스펙트럼 성형하기 (a)전과 (b)후의 각각의 스펙트럼을 보여준다. FIG. 17 shows spectra of the pulses chirped by the pulse expander 131 (a) before and after (b), respectively.

도 1의 마스터 오실레이터(110)에서 나오는 펄스는 중심 파장 1035nm, 밴드폭 9nm의 대칭적인 스펙트럼을 보여준다. The pulse from the master oscillator 110 of Figure 1 shows a symmetric spectrum with a center wavelength of 1035 nm and a bandwidth of 9 nm.

스펙트럼 성형된 후에는 1030nm와 1040nm 부근에서 국소적인 최대값을 갖는다는 것을 알 수 있다. It can be seen that after spectral shaping, it has a locally maximum value near 1030 nm and 1040 nm.

물론, 스펙트럼 성형기(140)를 구성하는 석영판의 두께, 회전 방향 φ, ψ를 조정하여 다양한 형태로 스펙트럼 성형이 가능하다. Of course, spectral shaping can be performed in various forms by adjusting the thickness, rotational direction?, And? Of the quartz plate constituting the spectrum molding machine 140.

도 18에서 (a)는 스펙트럼 성형(spectral shaping: SS)하지 않는 종자 펄스를 증폭기(170)에 인가하고 펄스 반복률 200kHz에서 C1, C2 레이저 결정에 같은 세기의 펌핑 광을 인가하였을 때 증폭된 레이저 펄스의 스펙트럼을 측정한 것으로서 중심파장 1036nm, 밴드폭 6nm의 비대칭적인 스펙트럼을 보여준다. 18 (a) shows a case where a seed pulse not subjected to spectral shaping (SS) is applied to the amplifier 170 and pumping light of the same intensity is applied to the C1 and C2 laser crystals at a pulse repetition rate of 200 kHz, And shows an asymmetric spectrum with a center wavelength of 1036 nm and a bandwidth of 6 nm.

증폭되기 전의 펄스 스펙트럼인 도 17의 (a)와 비교하여 보면, 이득 좁아짐으로 스펙트럼 밴드폭이 9nm 에서 6nm 로 좁아졌음을 확연히 알 수 있다. Compared with Fig. 17 (a), which is a pulse spectrum before amplification, it can be clearly seen that the narrowing of the gain narrows the spectral band width from 9 nm to 6 nm.

이렇게 좁아진 스펙트럼의 펄스를 펄스 압축기(132)로 압축하였을 경우 도 19의 (a)와 같이 펄스 시간 폭이 265fs 로 측정되었다. When the pulse of this narrowed spectrum is compressed by the pulse compressor 132, the pulse time width is measured as 265 fs as shown in Fig. 19 (a).

이러한 스펙트럼 좁아짐은 다양한 방법으로 억제시킬 수 있다. This narrowing of the spectrum can be suppressed in various ways.

예를 들어, 레이저 매질로써, 비등방성 레이저 결정 Yb:KYW의 C1 과 C2 에 서로 다른 세기의 펌핑 광을 인가하면 서로 다른 중심 파장에서 이득 최대값을 갖기 때문에 서로 다른 세기의 이득 스펙트럼이 결합되는 효과를 얻을 수 있다. For example, when pumping light of different intensities is applied to C1 and C2 of anisotropic laser crystal Yb: KYW with a laser medium, gain spectra of different intensities are combined because they have maximum gain values at different center wavelengths Can be obtained.

실제 실험에서 Np-컷 결정과 Ng-컷 레이저 매질에 인가되는 펌핑 파워의 비를 3:2로 변화시키면 스펙트럼이 더 넓어지고 그 모양이 상당히 변형됨을 확인하였다. In the actual experiment, it was confirmed that when the ratio of the pumping power applied to the Np-cut crystal and the Ng-cut laser medium is changed to 3: 2, the spectrum becomes wider and the shape is significantly deformed.

이 경우에 스펙트럼 밴드폭은 9nm, 펄스 시간 폭은 210fs로 측정되었다. 하지만, 이렇게 할 경우에 좁아진 펄스 시간 폭을 얻을 수는 있지만 펌핑 파워의 세기를 제한함으로써 펨토초 레이저 시스템의 전체 출력이 제한된다는 단점이 있다. In this case, the spectral band width was 9 nm and the pulse time width was 210 fs. However, in this case, although a narrow pulse width can be obtained, there is a disadvantage that the total output of the femtosecond laser system is limited by limiting the intensity of the pumping power.

본 실험에서는 위와 같은 조건에서 출력이 37%나 줄어드는 것으로 측정되었다. In this experiment, the output was measured to be reduced by 37% under the above conditions.

스펙트럼 좁아짐을 억제하는 다른 방법은 스펙트럼 성형을 이용하는 것이다. 도 1과 같이 펄스 확장기(131)와 증폭기(170) 사이에 도 16과 같은 스펙트럼 성형기(140)를 배치하여 종자 펄스를 공진기 외부에서 스펙트럼 성형을 실시하는 것이다. Another way to suppress spectral narrowing is to use spectral shaping. As shown in FIG. 1, a spectral shaping unit 140 as shown in FIG. 16 is disposed between a pulse expander 131 and an amplifier 170 to perform spectral shaping of a seed pulse from the outside of the resonator.

회전 마운트(123)의 각도, φ, ψ를 미세하게 조정하면서 증폭되는 펄스의 스펙트럼 및 펄스의 시간 폭을 관측 하면서 최적의 각도를 결정한다. The optimum angle is determined while observing the spectrum of the pulse amplified and the time width of the pulse while finely adjusting the angle of the rotation mount 123, phi, and phi.

도 18의 (b)는 종자 펄스를 스펙트럼 성형하였을 때 증폭된 레이저 펄스의 스펙트럼을 보여준다. 18 (b) shows the spectrum of the amplified laser pulse when the seed pulse is spectrally shaped.

측정된 스펙트럼은 중심파장 1034nm이고, 스펙트럼 밴드 폭 11nm인 종-모양(bell-shape)이었다. The measured spectrum was a bell-shape with a center wavelength of 1034 nm and a spectral bandwidth of 11 nm.

스펙트럼 성형하기 전에는 증폭된 펄스의 밴드 폭이 6nm이었던 것이 스펙트럼 성형한 후에는 그 밴드 폭이 11nm로 거의 2배 증가한 것이다. 이렇게 넓혀진 스펙트럼의 펄스를 펄스 압축기(132)로 압축하면 도 19의 (b)와 같이 펄스 시간 폭 이 182fs로 측정되었다. Before spectral shaping, the band width of the amplified pulse was 6 nm, and after spectral shaping, the band width was almost doubled to 11 nm. When the pulse of the broadened spectrum is compressed by the pulse compressor 132, the pulse time width was measured as 182fs as shown in FIG.

스펙트럼 성형기(140)를 증폭기(170)의 공진기 내부에 배치하여 실험을 수행하였다. Experiments were performed by placing the spectral shaping machine 140 inside the resonator of the amplifier 170.

거의 같은 넓이의 스펙트럼을 얻을 수 있었지만 레이저 출력은 약 20% 감소하였다. The spectrum of almost the same width was obtained, but the laser output was reduced by about 20%.

이는 레이저 펄스가 공진기 내부에서 여러 번 왕복하면서 리옷 필터를 포함한 스펙트럼 성형기(140)에 의한 작은 손실이 축적되기 때문이다. This is because a small loss is accumulated by the spectrum forming machine 140 including the reed filter while the laser pulse reciprocates several times inside the resonator.

도 20은 펄스 반복률에 따른 펄스 에너지의 변화를 나타낸 것이다. 20 shows a change in pulse energy with respect to the pulse repetition rate.

펄스 반복률이 낮을수록 펄스 에너지가 더 높다. 최대 펄스 에너지는 레이저 결정에 인가되는 펌핑 파워가 73.2W, 펄스 반복률이 50kHz일 때, 164μJ로 측정되었다. The lower the pulse repetition rate, the higher the pulse energy. The maximum pulse energy was measured as 164 μJ when the pumping power applied to the laser crystal was 73.2 W and the pulse repetition rate was 50 kHz.

낮은 펄스 반복률에서 라만 산란(Raman scattering)이 발생되는 것을 실험적으로 관측하였는데, 이는 펄스 에너지를 더 높이는 것을 방해하는 요소로 작용한다. Experimental observations have shown that Raman scattering occurs at low pulse repetition rates, which acts as an impediment to further increasing the pulse energy.

펄스 반복률 200 kHz에서는 10 ~ 50μJ의 펄스 에너지를, 500kHz에서는 4 ~ 20μJ의 펄스 에너지를 얻었다. Pulse energy of 10 ~ 50μJ was obtained at a pulse repetition rate of 200 kHz and pulse energy of 4 ~ 20μJ was observed at 500 kHz.

이 정도의 펄스 에너지는 높은 펄스 반복률에서 다양한 시료들을 가공하기에 충분하다. This level of pulse energy is sufficient to process various samples at high pulse repetition rates.

본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 장치 및 이를 포함하는 펨토초 레이저 시스템은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
The femtosecond laser device according to an embodiment of the present invention and the femtosecond laser system including the femtosecond laser device are not limited to the embodiments described above but are defined by the claims, It is obvious that various modifications and alterations can be made within the scope of the right

110: 마스터 오실레이터 131: 펄스 확장기
140: 스펙트럼 성형기 170: 증폭기
150: 파라데이 회전기 160: 펄스 피커
120: 파라데이 아이솔레이터 132: 펄스 압축기
21: 레이저 다이오드 22: 광섬유(fiber)
23: 포켈 셀(Pockels cell) 30: 빔 덤퍼(beam dumper)
31: 냉각수 통로 32: 빔 흡수부
110: master oscillator 131: pulse expander
140: spectrum shaping machine 170: amplifier
150: Parabody rotator 160: Pulse picker
120: Paradieter isolator 132: Pulse compressor
21: laser diode 22: optical fiber
23: Pockels cell 30: beam dumper
31: cooling water passage 32: beam absorbing portion

Claims (17)

공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Nm축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Ng축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질 각각에 펌핑광을 조사하도록 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서,
상기 제 1 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된 펨토초 레이저 장치.
A first laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np and Nm axes; An Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, an Nm axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium, and an Ng axis substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium A second laser medium; And a first laser diode and a second laser diode arranged to irradiate pumping light to each of the first laser medium and the second laser medium, the femtosecond laser device comprising:
Wherein the first laser medium comprises:
Wherein a traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium,
The polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media is arranged to be substantially parallel to the Np axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
The advancing direction of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser media,
And a polarization direction of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Nm axis of the second laser media.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질은 각각 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
The method of claim 1,
The first and second laser media are at least one of Yb: KYW, Yb: KGW, Yb: KLuW, Yb: YCOB, and Yb: YAP, respectively.
제 2항에 있어서,
상기 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 Yb의 도핑 농도는 1 ~ 10 at. %인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
3. The method of claim 2,
The doping concentration of Yb in the Yb: KYW, Yb: KGW, Yb: KLuW, Yb: YCOB and Yb: YAP is 1 to 10 at. Femtosecond laser device, characterized in that%.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 레이저 매질은,
상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
The method of claim 1,
Wherein the first laser medium comprises:
The polarization direction of the first pumping light generated from the first laser diode is substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
And a polarization direction of the second pumping light generated from the second laser diode is substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium.
공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖는 제 1 레이저 매질; 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행한 Np축, 상기 제 1 레이저 매질의 Np 축에 실질적으로 평행한 Ng축, 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행한 Nm축을 갖도록 배치된 제 2 레이저 매질; 및 상기 제 1 레이저 매질 및 상기 제 2 레이저 매질 각각에 펌핑광을 조사하기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드 및 제 2 레이저 다이오드를 포함하는 펨토초 레이저 장치에 있어서,
상기 제 1 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 배치된 펨토초 레이저 장치.
A first laser medium having spatially mutually perpendicular Ng, Np and Nm axes; An Np axis substantially parallel to the Ng axis of the first laser medium, an Ng axis substantially parallel to the Np axis of the first laser medium, and an Nm axis substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium A second laser medium; And a first laser diode and a second laser diode arranged to irradiate pumping light to each of the first laser medium and the second laser medium, the femtosecond laser device comprising:
Wherein the first laser medium comprises:
Wherein a traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium,
The polarization direction of the laser beam generated from the first and second laser media is arranged to be substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
The advancing direction of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser media,
And a polarization direction of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Nm axis of the second laser media.
펨토초 영역의 펄스를 발생시키기 위한 마스터 오실레이터;
상기 발생된 펨토초 영역의 펄스의 폭을 확장하기 위한 펄스 확장기;
상기 확장된 펄스의 에너지를 증폭시키기 위한 증폭기; 및
상기 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시키기 위한 펄스 압축기를 포함하고,
상기 마스터 오실레이터 및 상기 증폭기 중 적어도 어느 하나는 청구항 1의 레이저 장치를 포함하는 펨토초 레이저 시스템.
A master oscillator for generating pulses in a femtosecond range;
A pulse expander for expanding the pulse width of the generated femtosecond region;
An amplifier for amplifying the energy of the extended pulse; And
And a pulse compressor for compressing the amplified pulse into pulses in a femtosecond range,
At least one of the master oscillator and the amplifier comprises the laser device of claim 1.
제 6항에 있어서,
상기 펄스 확장기와 상기 펄스 압축기는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 일체형을 이루는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.
The method according to claim 6,
Wherein the pulse expander and the pulse compressor are integrally formed by using one spectroscopic element in common.
제 6항에 있어서,
상기 확장된 펄스의 스펙트럼을 성형하기 위한 스펙트럼 성형기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.
The method according to claim 6,
And a spectral shaper for shaping the spectrum of the extended pulse.
공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖고, 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질;
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드;
상기 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Np축과 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하는 광학부품을 포함하고,
상기 제 1 레이저 매질은
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 펨토초 레이저 장치.
A first laser medium and a second laser medium having Ng, Np and Nm axes spatially perpendicular to each other and arranged to face each other;
A first laser diode and a second laser diode arranged to respectively inject pumping light into the first laser medium and the second laser medium;
Disposed between the first laser medium and the second laser medium, wherein the polarization directions of the laser beams generated from the first and second laser mediums are on the Np axis of the first laser medium and the Nm axis of the second laser medium; Includes an optical component to be substantially parallel,
The first laser medium
Wherein a traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
The femtosecond laser device, wherein the direction of travel of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser media.
제 9항에 있어서,
상기 광학 부품은 반파장판(Half-wave plates), 복수의 프레넬의 사방체(Double Fresnel rhomb), 광대역 프리즘 회전자(Broadband prismatic rotator), 파라데이 회전기(Faraday rotator), 복수의 미러 중 적어도 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
The method of claim 9,
The optical component may include at least one of a half-wave plate, a plurality of Fresnel rhombs, a broadband prismatic rotator, a Faraday rotator, and a plurality of mirrors. Femtosecond laser device, characterized in that one.
제 9항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질은 각각 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
The method of claim 9,
The first and second laser media are at least one of Yb: KYW, Yb: KGW, Yb: KLuW, Yb: YCOB, and Yb: YAP, respectively.
제 11항에 있어서,
상기 Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:KLuW, Yb:YCOB, Yb:YAP 중 Yb의 도핑 농도는 1 ~ 10 at. %인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
12. The method of claim 11,
The doping concentration of Yb in the Yb: KYW, Yb: KGW, Yb: KLuW, Yb: YCOB and Yb: YAP is 1 to 10 at. Femtosecond laser device, characterized in that%.
제 9항에 있어서,
상기 제 1 레이저 매질은,
상기 제 1 레이저 다이오드로부터 발생된 제 1 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm 축에 대해 실질적으로 평행하도록 하고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 2 레이저 다이오드로부터 발생된 제 2 펌핑 광의 편광방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 대해 실질적으로 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 장치.
The method of claim 9,
Wherein the first laser medium comprises:
The polarization direction of the first pumping light generated from the first laser diode is substantially parallel to the Nm axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
And a polarization direction of the second pumping light generated from the second laser diode is substantially parallel to the Nm axis of the second laser medium.
공간적으로 서로 수직방향의 Ng, Np, Nm축을 갖고, 서로 마주하여 배치된 제 1 레이저 매질과 제 2 레이저 매질;
상기 제 1 레이저 매질 및 제 2 레이저 매질에 각각 펌핑 광을 입사시키기 위하여 배치된 제 1 레이저 다이오드와 제 2 레이저 다이오드;
상기 1 레이저 매질과 상기 제 2 레이저 매질 사이에 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 편광방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Nm축과 상기 제 2 레이저 매질의 Nm축에 실질적으로 평행하도록 하는 광학부품을 포함하고,
상기 제 1 레이저 매질은
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 1 레이저 매질의 Ng축에 실질적으로 평행하도록 배치되고,
상기 제 2 레이저 매질은,
상기 제 1 및 제 2 레이저 매질로부터 발생된 레이저 빔의 진행방향이 상기 제 2 레이저 매질의 Np축에 실질적으로 평행하도록 배치되는 펨토초 레이저 장치.
A first laser medium and a second laser medium having Ng, Np and Nm axes spatially perpendicular to each other and arranged to face each other;
A first laser diode and a second laser diode arranged to respectively inject pumping light into the first laser medium and the second laser medium;
Disposed between the first laser medium and the second laser medium, wherein the polarization directions of the laser beams generated from the first and second laser media are on the Nm axis of the first laser medium and the Nm axis of the second laser medium; Includes an optical component to be substantially parallel,
The first laser medium
Wherein a traveling direction of the laser beam generated from the first and second laser media is substantially parallel to an Ng axis of the first laser medium,
Wherein the second laser medium comprises:
The femtosecond laser device, wherein the direction of travel of the laser beams generated from the first and second laser media is substantially parallel to the Np axis of the second laser media.
펨토초 영역의 펄스를 발생시키기 위한 마스터 오실레이터;
상기 발생된 펨토초 영역의 펄스의 폭을 확장하기 위한 펄스 확장기;
상기 확장된 펄스의 에너지를 증폭시키기 위한 증폭기; 및
상기 증폭된 펄스를 펨토초 영역의 펄스로 압축시키기 위한 펄스 압축기를 포함하고,
상기 마스터 오실레이터 및 상기 증폭기 중 적어도 어느 하나는 청구항 9의 레이저 장치를 포함하는 펨토초 레이저 시스템.
A master oscillator for generating pulses in a femtosecond range;
A pulse expander for expanding the pulse width of the generated femtosecond region;
An amplifier for amplifying the energy of the extended pulse; And
And a pulse compressor for compressing the amplified pulse into pulses in a femtosecond range,
At least one of the master oscillator and the amplifier comprises the laser device of claim 9.
제 15항에 있어서,
상기 펄스 확장기와 상기 펄스 압축기는 하나의 분광소자를 공통으로 사용하여 일체형을 이루는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.
16. The method of claim 15,
Wherein the pulse expander and the pulse compressor are integrally formed by using one spectroscopic element in common.
제 15항에 있어서,
상기 확장된 펄스의 스펙트럼을 성형하기 위한 스펙트럼 성형기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저 시스템.




16. The method of claim 15,
And a spectral shaper for shaping the spectrum of the extended pulse.




KR1020130010367A 2012-06-18 2013-01-30 Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same KR101416630B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120065248 2012-06-18
KR1020120065248 2012-06-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130142056A true KR20130142056A (en) 2013-12-27
KR101416630B1 KR101416630B1 (en) 2014-07-09

Family

ID=49518085

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130010367A KR101416630B1 (en) 2012-06-18 2013-01-30 Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same
KR1020130010368A KR101377003B1 (en) 2012-06-18 2013-01-30 Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same to improve the beam alignment

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130010368A KR101377003B1 (en) 2012-06-18 2013-01-30 Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same to improve the beam alignment

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8582613B1 (en)
JP (1) JP5658207B2 (en)
KR (2) KR101416630B1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160066682A (en) * 2014-12-02 2016-06-13 한국전기연구원 Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam
KR20160093801A (en) * 2015-01-29 2016-08-09 한국전기연구원 Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam Comprising Polarizer
WO2017146830A1 (en) * 2016-02-24 2017-08-31 Moxtek, Inc. Broadband optical isolator or circular polarizer
WO2018012856A1 (en) * 2016-07-11 2018-01-18 학교법인 한동대학교 Laser pulse filter and laser output device having same
KR20190022190A (en) * 2017-08-25 2019-03-06 광주과학기술원 Method and apparatus for contrast ratio enhancement by spectral matching of a seed laser pulse and ASE(amplified spontaneous emission)
WO2021182839A1 (en) * 2020-03-09 2021-09-16 한국기계연구원 Optical fiber-based high-repetition-rate femtosecond laser generator and laser processing system comprising same

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8891564B2 (en) * 2012-06-18 2014-11-18 Korea Electrotechnology Research Institute Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the same
US9401580B1 (en) * 2015-05-27 2016-07-26 Lumentum Switzerland Ag Optical source with passive pulse shaping
KR101580932B1 (en) 2015-08-28 2015-12-31 국방과학연구소 Beam dumper for measuring beam output and monitoring optical alignment and stray light attenuation of particle counter
KR102448364B1 (en) * 2015-12-11 2022-09-27 한국전기연구원 Optical Fiber Femtosecond Laser Osillator and Apparatus Including The Same
US11482831B2 (en) * 2017-09-05 2022-10-25 National Institutes for Quantum Science and Technology Laser device, light source, and measurement apparatus
WO2019109235A1 (en) * 2017-12-05 2019-06-13 大族激光科技产业集团股份有限公司 All solid-state laser light source device
EP3801755B1 (en) * 2018-06-05 2023-08-02 Elesta S.P.A. Optical fiber device for laser thermal ablation and thermal therapy
JP7215060B2 (en) * 2018-10-12 2023-01-31 ウシオ電機株式会社 Spectroscopic analysis light source, spectroscopic analysis device and spectroscopic analysis method
KR102055426B1 (en) 2018-10-15 2019-12-12 국방과학연구소 Beam Dumper for High Power Fiber Laser and Method for Assembling the same

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0595144A (en) * 1991-10-01 1993-04-16 Nec Corp Semiconductor laser-excited solid state laser
US20050041702A1 (en) * 1997-03-21 2005-02-24 Imra America, Inc. High energy optical fiber amplifier for picosecond-nanosecond pulses for advanced material processing applications
US5907570A (en) * 1997-10-22 1999-05-25 Spectra-Physics, Inc. Diode pumped laser using gain mediums with strong thermal focussing
JP3271603B2 (en) * 1999-02-25 2002-04-02 日本電気株式会社 LD pumped solid-state laser device
EP1168532A1 (en) * 2000-06-23 2002-01-02 Universität Bern Method for compensating thermo-optic effects
DE10154007B4 (en) * 2001-10-26 2006-06-14 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Arrangement for pumping an anisotropic laser crystal
US6760356B2 (en) 2002-04-08 2004-07-06 The Regents Of The University Of California Application of Yb:YAG short pulse laser system
US6891876B2 (en) * 2002-08-30 2005-05-10 Spectra Physics, Inc. Method and apparatus for polarization and wavelength insensitive pumping of solid state lasers
JP4242141B2 (en) 2002-11-19 2009-03-18 株式会社トプコン Solid state laser equipment
US7257302B2 (en) * 2003-06-03 2007-08-14 Imra America, Inc. In-line, high energy fiber chirped pulse amplification system
FR2865581B1 (en) * 2004-01-26 2008-10-31 Amplitude Systemes ULTRABREVE ION LASER SOURCE WITH STABLE IMPULSE TRAIN AND DEVICE FOR LASER CAVITY EXTENSION
JP3998067B2 (en) 2004-11-29 2007-10-24 オムロンレーザーフロント株式会社 Solid state laser oscillator
KR20060121735A (en) 2005-05-23 2006-11-29 폴라로닉스 인코포레이티드 All fiber based short pulse amplification at one micron
JP2007227447A (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Mitsubishi Electric Corp Regenerative amplifier, mode lock laser, and gain smoothing method
JP5117681B2 (en) * 2006-02-21 2013-01-16 三菱電機株式会社 Regenerative amplifier and gain smoothing method
JP2008277705A (en) 2007-05-07 2008-11-13 Megaopto Co Ltd Regenerative amplifier and ultrashort pulsed laser
JP2009010066A (en) * 2007-06-27 2009-01-15 Covalent Materials Corp Pulsed laser oscillator
JP5009278B2 (en) * 2008-12-24 2012-08-22 住友重機械工業株式会社 Beam dump
DE102008063368B4 (en) 2008-12-30 2012-03-01 Friedrich-Schiller-Universität Jena Apparatus and method for amplifying light pulses
KR101034241B1 (en) 2009-04-02 2011-05-12 한국전기연구원 Laser arrangement for pumping an anisotropic laser crystal
US9054479B2 (en) * 2010-02-24 2015-06-09 Alcon Lensx, Inc. High power femtosecond laser with adjustable repetition rate

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160066682A (en) * 2014-12-02 2016-06-13 한국전기연구원 Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam
KR20160093801A (en) * 2015-01-29 2016-08-09 한국전기연구원 Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam Comprising Polarizer
WO2017146830A1 (en) * 2016-02-24 2017-08-31 Moxtek, Inc. Broadband optical isolator or circular polarizer
US9851591B2 (en) 2016-02-24 2017-12-26 Moxtek, Inc. Broadband optical isolator or circular polarizer
WO2018012856A1 (en) * 2016-07-11 2018-01-18 학교법인 한동대학교 Laser pulse filter and laser output device having same
KR20180006675A (en) * 2016-07-11 2018-01-19 학교법인 한동대학교 Laser Pulse Filter and Device for Emitting Laser having the Same
KR20190022190A (en) * 2017-08-25 2019-03-06 광주과학기술원 Method and apparatus for contrast ratio enhancement by spectral matching of a seed laser pulse and ASE(amplified spontaneous emission)
WO2021182839A1 (en) * 2020-03-09 2021-09-16 한국기계연구원 Optical fiber-based high-repetition-rate femtosecond laser generator and laser processing system comprising same

Also Published As

Publication number Publication date
US8582613B1 (en) 2013-11-12
KR20130142886A (en) 2013-12-30
KR101377003B1 (en) 2014-03-25
JP5658207B2 (en) 2015-01-21
JP2014003262A (en) 2014-01-09
KR101416630B1 (en) 2014-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101377003B1 (en) Femtosecond Laser Apparatus and Femtosecond Laser System including the same to improve the beam alignment
Giesen et al. Fifteen years of work on thin-disk lasers: results and scaling laws
Backus et al. High power ultrafast lasers
KR20100135772A (en) Multi-pass optical power amplifier
Wang et al. High-power Q-switched TEM 00 mode diode-pumped solid state lasers with> 30W output power at 355nm
US8891564B2 (en) Femtosecond laser apparatus and femtosecond laser system including the same
Reagan et al. Development of high energy diode-pumped thick-disk Yb: YAG chirped-pulse-amplification lasers
JP2020127000A (en) Passive Q-switched solid-state laser with compressed pulse width
Lee et al. High-energy, sub-nanosecond linearly polarized passively Q-switched MOPA laser system
Kim et al. Femtosecond laser based on Yb: KYW crystals with suppression of spectral narrowing in a regenerative amplifier by spectral profiling of the pulse
Kim et al. High-power efficient cw and pulsed lasers based on bulk Yb: KYW crystals with end diode pumping
SMRZ et al. COMPACT, PICOSECOND, KW-CLASS THIN-DISK LASER PERLA FOR HI-TECH INDUSTRIAL APPLICATIONS.
CN216981120U (en) Disc medium high-energy ultrashort pulse laser regeneration amplifier based on CPA technology
Kim et al. High-power diode-pumped short pulse lasers based on Yb: KGW crystals for industrial applications
Kim et al. High-power repetitively pulsed ytterbium lasers with supershort pulse width and direct diode pumping for technological and biomedical applications
KR102260993B1 (en) Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam Comprising Polarizer
Squier et al. An alexandrite pumped Nd: glass regenerative amplifier for chirped pulse amplification
Šulc et al. Yb: YAG/Cr: YAG composite crystal with external and microchip resonator
Huang et al. Efficient high-pulse-energy eye-safe laser generated by an intracavity Nd: YLF/KTP optical parametric oscillator: role of thermally induced polarization switching
KR102241895B1 (en) Ultrashort Femtosecond Laser Apparatus For High-Brightness beam
Nejezchleb et al. Microchip laser based on Yb: YAG/V: YAG monolith crystal
KR20170065918A (en) Femtosecond laser Apparatus
Teisset Few-cycle high-repetition-rate optical parametric amplifiers and their synchronisation schemes
Stučinskas et al. 30 W dual active element Yb: KGW regenerative amplifier for amplification of sub-500fs pulses
Yang et al. High-pulse-energy passively mode-locked Nd: YVO 4 laser without spatial hole burning effect

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170703

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180702

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190702

Year of fee payment: 6